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北卡罗莱纳州立大学的研究人员开发了一种技术，利用光线使二维(2-D)塑料片弯曲成三维(3-D)结构，如球体、管子或碗。
这一进展建立在同一研究小组早期工作的基础上，后者专注于自折叠的3-D结构。这项技术的关键进展在于，塑料不是沿着尖锐的线条折叠成立方体或金字塔等多边形形状，而是弯曲和弯曲。
研究人员迈克尔·迪基(Michael Dickey)是北卡罗来纳州立大学的化学和生物分子工程教授，简·根泽(Jan Genzer)是同一系的弗兰克和多丽丝·卡伯森(S. Frank and Doris Culberson)杰出教授，他们是自折叠三维结构领域的早期领导者。在他们的具有里程碑意义的2011年的论文，研究人员概述了一种技术，使用传统的喷墨打印机在预拉伸塑料片上打印黑体字。然后把塑料片切成所需的图案，放在红外线下，比如热灯。
与其他材料相比，打印线从红外光中吸收的能量更多，导致塑料加热和收缩，形成一个铰链，将纸张折叠成三维形状。通过改变打印线或铰链的宽度，研究人员能够改变每个铰链折叠的距离和速度。该技术与商业印刷技术兼容，如丝网印刷、卷对卷印刷和喷墨印刷，这些技术都是廉价和高通量的，但本质上是二维的。
但现在他们使用类似的方法来实现一个非常不同的结果。
“通过控制材料表面线条的数量和墨水的分布，我们可以产生任意数量的曲线形状，”Dickey说，他是一篇关于自弯曲塑料的论文的共同通信作者。“所有的形状都使用相同数量的墨水;问题很简单，就是墨水涂在塑料上的什么地方。”注:演示该技术的视频可以在https://www.youtube.com/watch?v=2Iqq8lIrri8&feature=youtu.be．
“我们的工作受到了自然的启发，因为自然形状很少有脆的褶皱，而是选择弯曲，”北卡罗来纳州立大学的博士生、论文的主要作者之一安布尔·哈伯德(Amber Hubbard)说。“我们发现，为了制造功能性的物体，我们经常需要使用弯曲和折叠的组合形状。
“其他研究人员已经开发出创造自弯曲材料的技术，但他们使用的是软材料，如水凝胶，”哈伯德补充道。“我们的工作是第一次尝试使用热塑性塑料来达到同样的效果，热塑性塑料比软材料更强更硬。这使得它们在执行一些实际动作时更有吸引力，比如抓东西。”
“我们正在研究的材料也能保持它们的形状，即使在光被移除之后，”北卡罗来纳州立大学的博士生、该论文的主要作者之一拉塞尔·麦伦(Russell Mailen)说。“这是一个优势，因为软材料只有在接触溶剂时才会改变形状，而一旦从溶剂中去除，它们就会失去形状。”
研究人员还开发了一种计算模型，可以用来预测任何给定打印模式产生的3d形状。
“我们的目标之一是对Mailen开发的模型进行微调，”Genzer，共同通讯作者说。“最终，我们希望能够将所需的3d形状输入到模型中，让它创造出我们可以打印和生产的图案。”
纸”,可控制的曲率从平面聚合物板响应光发表在英国皇家化学学会杂志上软物质并被杂志选为封面人物。该论文由北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程Zan Prevost Smith特约教授Mohammed Zikry共同撰写。国家自然科学基金资助项目:1240438;DGE-1252376。
希普曼-
编辑:研究摘要如下。
“平面聚合物板的可控曲率对光线的响应”
作者: Amber M. Hubbard, Russell W. Mailen, Mohammed A. Zikry, Michael D. Dickey, Jan Genzer，北卡罗莱纳州立大学
发表: 3月22日,软物质
DOI: 10.1039 / C7SM00088J
文摘:从平面薄板开始，改变三维结构的形状和控制曲率的能力可以帮助组装并为对象添加功能。在这里，我们将形状记忆聚合物(SMPs)的平面薄片转换成具有可控曲率的三维物体，通过指示薄片收缩的位置。印刷在纸张表面的油墨吸收红外线，导致局部加热，当温度超过活化温度Ta时，材料就会局部收缩。我们介绍了两种不同的机制来控制SMP薄板的曲率。“直接”机制使用局部收缩，只在有油墨图案的区域产生曲率。“间接”机制利用有油墨图案区域的局部收缩，通过内应力的平衡，诱导相邻无油墨区域的曲率。有限元分析预测了聚合物薄片的最终形状，与实验研究有很好的定性一致性。研究结果表明，曲率可以通过油墨图案在聚合物纸上的分布和暗度来控制。此外，我们利用直接和间接曲率机构来演示夹持装置的形成和驱动，这代表了这种方法的潜在效用。
