大自然為人類肢體繪制的藍圖是精心分層的結(jié)構(gòu)，堅硬的骨頭包裹在不同的軟組織(如肌肉和皮膚)中，彼此完美地結(jié)合在一起。使用合成材料來實現(xiàn)這種復(fù)雜性來構(gòu)建具有生物啟發(fā)性的機器人零件或多組件，復(fù)雜的機器一直是工程上的挑戰(zhàn)。

通過調(diào)整單一聚合物的化學性質(zhì)，得克薩斯州A&M大學和美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部陸軍研究實驗室的研究人員創(chuàng)建了一系列合成材料，其質(zhì)地從超軟到極硬。研究人員說，它們的材料是3D可打印的，可自我修復(fù)的，可回收的，并且可以在空氣或水下自然地彼此粘附。

他們的發(fā)現(xiàn)在五月份的《高級功能材料》雜志上有詳細介紹。

材料科學與工程系教授Svetlana Sukhishvili博士說：“我們制造了一組令人興奮的材料，其材料可以微調(diào)以獲得橡膠的柔軟性或承重塑料的強度。”研究的通訊作者。“它們的其他令人希望的特性，例如3D可打印性和在幾秒鐘內(nèi)自我修復(fù)的能力，使其不僅適用于更逼真的假肢和軟機器人，而且還非常適合廣泛的軍事應(yīng)用，例如飛機和未來派的敏捷平臺自愈飛機機翼。”

合成聚合物由重復(fù)分子圖案的長串組成，例如鏈上的珠子。在彈性聚合物或彈性體中，這些長鏈輕度交聯(lián)，使材料具有橡膠質(zhì)。但是，這些交聯(lián)也可用于通過增加交聯(lián)數(shù)來使彈性體更堅硬。

盡管以前的研究已經(jīng)控制了交聯(lián)劑的密度以使彈性體變硬，但由此產(chǎn)生的機械強度變化通常是永久性的。

Sukhishvili說：“交叉鏈接就像一塊布上的針跡，針跡越多，材料變得越硬，反之亦然。” “但是，我們不是要永久保留這些'縫線'，而是要實現(xiàn)動態(tài)且可逆的交聯(lián)，以便我們可以制造可回收的材料。”

因此，研究人員將注意力集中在涉及交聯(lián)的分子上。首先，他們選擇一種稱為預(yù)聚物的母體聚合物，然后用兩種類型的小交聯(lián)分子呋喃和馬來酰亞胺對這些預(yù)聚物鏈進行化學釘扎。通過增加預(yù)聚物中這些分子的數(shù)量，他們發(fā)現(xiàn)它們可以產(chǎn)生更硬的材料。這樣，他們創(chuàng)建的最堅硬的材料比最柔軟的材料強1,000倍。

但是，這些交聯(lián)也是可逆的。呋喃和馬來酰亞胺參與一種可逆的化學鍵合。簡而言之，在該反應(yīng)中，呋喃和馬來酰亞胺對可以根據(jù)溫度 “點擊”和“取消點擊” 。當溫度足夠高時，這些分子會脫離聚合物鏈，從而使材料軟化。在室溫下，材料會硬化，因為分子會迅速相互點擊并再次形成交聯(lián)。因此，如果這些材料在環(huán)境溫度下有任何撕裂，研究人員就會顯示呋喃和馬來酰亞胺會自動重新點擊，從而在幾秒鐘內(nèi)修復(fù)縫隙。

研究人員指出，對于不同的硬度水平，交聯(lián)劑從預(yù)聚物鏈上解離或脫離的溫度相對相同。此屬性對于使用這些材料進行3D打印很有用。無論它們是軟的還是硬的，材料都可以在相同的溫度下熔化，然后用作印刷油墨。

美國陸軍研究實驗室的研究工程師Frank Gardea博士說：“通過修改標準3-D打印機的硬件和處理參數(shù)，我們能夠使用我們的材料逐層打印復(fù)雜的3-D對象。”以及該研究的通訊作者。“我們材料的獨特優(yōu)勢在于，構(gòu)成3-D零件的層的剛度可能大不相同。”

當3-D零件冷卻到室溫時，他補充說，不同的層可以無縫連接，從而排除了固化或任何其他化學處理的需要。因此，3D打印的零件可以很容易地用高溫熔化，然后作為印刷油墨回收。研究人員還指出，他們的材料是可重新編程的。換句話說，在被設(shè)置為一種形狀之后，可以僅通過加熱使它們變?yōu)椴煌男螤睢?/p>

將來，研究人員計劃通過擴大當前研究中概述的多方面特性來增加其新材料的功能。

Gardea說：“目前，我們可以輕松地在室溫下實現(xiàn)約80%的自愈，但我們希望達到100%。而且，我們希望使材料對除溫度以外的其他刺激(例如光)做出響應(yīng)，”。“在接下來的過程中，我們想探索引入一些底層的智能，以便這些材料知道可以自動適應(yīng)，而無需用戶啟動該過程。”