4D印刷技术已经成为添加剂制造技术的一个重要分支，属于智能制造的范畴。它是在外部环境的刺激下，可控制添加制造部件的形状、性能或功能不时或空发生变化的技术，具有自我感知、自我执行的智能特性。但目前对4D印刷的研究大多集中在构件形状的变化上，对性能和功能变化的报道较少，还缺乏可靠的研究思路；此外，现有智能设备的感知与执行往往是相互独立的，在物质层面实现感知与执行的融合成为新的发展趋势和挑战性问题。

为此，在华中科技大学“4D印刷”学术前沿青年团队项目的支持下，施玉生教授提出了材料组合制备柔性4D印刷器件的思路，为性能变化和功能变化的4D印刷提供了新的思路和方法。相关结果作为封面文章发表在《高级科学》杂志上；为了解决传感/执行一体化问题，施玉生教授团队受蝎子缝传感器超敏感缝结构的启发，通过仿生设计，设计了梯度缝结构，在4D印刷了炭黑纳米粒子/聚乳酸复合材料，形成了具有独立变形和自感知应变和温度的仿生缝结构器件，实现了传感/执行一体化功能。相关成果作为封面文章发表在《高级科学》杂志上。

1.材料组合的思想是添加材料制造磁电器件，实现性能和功能可变的4D印刷

封面文章名为“实现具有新兴性能/功能的4D印刷产品的材料组合概念”，采用磁电材料组合的新思路，将添加剂制造的磁性多孔结构与导电螺旋结构相结合，获得具有4d印刷的柔性磁电器件。制备过程如图1所示。

图1 4d印刷柔性磁电器件制备工艺

多孔结构由于其永磁性可以产生磁场，导电螺旋结构在磁场中。在磁电器件的压缩/恢复周期中，通过线圈的磁通量发生变化。根据法拉第电磁感应定律，两个平行板之间会产生电压。因此，添加剂制造元件具有压电特性和感应外部压力的功能，这是磁性多孔结构和导电结构原本不具备的。因此，添加剂制造部件的性质和功能发生了变化，从而可以实现性能和功能可变的4D印刷。

图2印刷型柔性磁电器件压电效应原理4D示意图

图3 4D示出了印刷柔性磁电器件在外力作用下的电压曲线。当磁粉含量为40 wt%，压缩率为50 mm/s，磁电器件的压缩应变为20%时，器件在压力下产生的电压；一个周期内压缩过程中产生的电压；一个周期内恢复过程中产生的电压

他们还详细描述了4D印刷柔性磁电器件的宏观和微观结构。研究了器件高度对压电性能的影响。验证了有限元模型的有效性和仿真的准确性。本次研究最大的意义在于，4D印刷的智能元器件可以通过材料组合实现，丰富了4D印刷变形、变性能、变功能的研究思路，也为磁电器件提供了新的材料/结构设计思路和制造方法。

材料学院博士生吴洪志为论文第一作者，在施玉生教授、严春泽教授、苏斌教授的指导下完成。

2.4D印刷模仿蝎子缝结构，实现传感与执行一体化

封面文章名为“具有生物启发梯度间隙的4D印刷应变自感知和温度自感知集成传感器-致动器”，通过材料-结构-功能的集成4d印刷，创造性地实现了材料层面的集成传感/执行功能。传感/执行集成原理:炭黑纳米粒子/PLA复合材料具有良好的导电性和形状记忆效应，这种材料的4D打印器件在加热后可以发生可控的形状变化。在加热过程中，由于炭黑纳米粒子和PLA的膨胀率不同，炭黑纳米粒子之间距离的变化引起电子隧穿效应的变化，从而改变器件的电阻，从而将热信号转化为电阻信号，实现温度自感知；同时，在形状变化过程中，器件狭缝结构周围的炭黑纳米颗粒会接触分离，器件内部局部接触电阻变化会改变器件的电阻，从而将其自身的变形信号转化为电阻信号，实现应变自感知。

图4温度检测

图5应变传感

基于此，研究人员应用仿生4D打印装置模拟手指触摸手机屏幕。在温度的激励下，器件的形状发生变化，模拟手指主动触摸屏幕。在这个过程中，器件的变形引起间隙结构间距的变化，从而改变器件的整体电阻，实现对器件形状变化的自我感知。在触摸瞬间，可以通过电阻的变化来检测设备触摸屏幕的应力，实现触摸应变自感知。

图6应用案例

研究成果将智能材料、仿生结构和4D印刷有机结合，实现了材料横向上传感受/执行的一体化，为未来机器人等智能装备关键器件的研发提供了新的思路和途径。

论文第一作者陈道兵博士，在施玉生教授、温世峰副教授、周燕副教授指导下完成。

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