大自然為人類肢體設計的藍圖是精心分層的結構，堅硬的骨頭包裹在不同的軟組織(如肌肉和皮膚)中，彼此完美地結合在一起。使用合成材料來實現這種復雜機器人零件，一直是工程上的挑戰。

通過調整單一聚合物的化學性質，得克薩斯州A&M大學和美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室的研究人員創建了整個合成材料，其質地從超軟到極硬。研究人員說，他們的材料可以3D打印，自我修復，可回收，并且可以在空氣或水下自然地彼此粘附。

他們的發現在五月份的《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說“它們還有其他理想特性，例如3D可打印性和在幾秒鐘內自我修復的能力，使其不僅適用于更逼真的假肢和軟機器人，還非常適合廣泛的軍事應用，例如飛機的敏捷平臺和未來的自我修復能力。修復飛機機翼。”

合成聚合物由重復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，使材料具有橡膠質。但是，這些交聯也可用于通過增加交聯數來使彈性體更堅硬。

盡管以前的研究已經控制了交聯劑的密度以使彈性體變硬，但由此產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'，而是要實現動態且可逆的交聯，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的分子上。首先，他們選擇一種稱為預聚物的母體聚合物，然后用兩種類型的小交聯分子-呋喃和馬來酰亞胺對這些預聚物鏈進行化學釘扎。通過增加預聚物中這些分子的數量，他們發現它們可以制造出更硬的材料。這樣，他們創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，在該反應中，呋喃和馬來酰亞胺對可以根據溫度“啟動”或是“取消”。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。因此，如果這些材料在環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連接，從而在幾秒鐘內修復縫隙。

研究人員指出，對于不同的硬度水平，交聯劑從預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。

“通過修改標準3D打印機中的硬件和處理參數，我們能夠使用我們的材料逐層打印復雜的3D對象，”美國陸軍研究實驗室的研究工程師Frank Gardea博士說。在書房上。“我們材料的獨特優勢在于，構成3D零件的層的剛度可能大不相同。”

隨著3D零件冷卻到室溫，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熱量熔化，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，在被設置為一種形狀之后，可以僅通過加熱使它們變為不同的形狀。

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約80%的修復，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，”。“在接下來的過程中，我們想探索引入一些更深層的技術，以便這些材料知道可以自動適應，而無需用戶啟動該過程。”

來源：

德克薩斯農工大學

這樣的技術真的能實現嗎?