生物體擴張和收縮軟組織以實現(xiàn)復(fù)雜的三維運動和功能，但用人造材料復(fù)制這些運動已證明具有挑戰(zhàn)性。

德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的研究人員最近在Nature Communications上發(fā)表了一項開創(chuàng)性研究，該研究顯示了尋找解決方案的希望。

UTA材料科學(xué)與工程系的助理教授Kyungsuk Yum和他的博士生Amirali Nojoomi已經(jīng)開發(fā)出一種方法，通過該方法可以對二維水凝膠進(jìn)行編程，以空間和時間控制的方式進(jìn)行擴展和收縮。強迫它們的表面，形成復(fù)雜的三維形狀和運動。

這個過程可能會改變軟工程系統(tǒng)或設(shè)備的設(shè)計和制造方式。該技術(shù)的潛在應(yīng)用包括生物啟發(fā)的軟機器人，人造肌肉 - 這些軟材料可以改變其形狀或隨著肌肉的作用而響應(yīng)外部信號而移動 - 以及可編程的物質(zhì)。該概念也適用于其他可編程材料。

“我們研究了生物有機體如何使用連續(xù)可變形的軟組織(如肌肉)來制作形狀，改變形狀和移動，因為我們有興趣使用這種方法來創(chuàng)建動態(tài)的三維結(jié)構(gòu)，”Yum說。

他的方法使用溫度敏感的水凝膠，局部度和腫脹和收縮率。這些屬性允許Yum使用他開發(fā)的包括三維加時間的數(shù)字光4-D打印方法在空間上編程水凝膠如何膨脹或收縮以響應(yīng)溫度變化。

使用這種方法，Yum可以在一步過程中同時打印多個3-D結(jié)構(gòu)。然后，他通過數(shù)學(xué)方法對結(jié)構(gòu)的收縮和膨脹進(jìn)行編程，形成三維形狀，如鞍形，皺紋和錐體，以及它們的方向。

他還開發(fā)了基于模塊化概念的設(shè)計規(guī)則，以創(chuàng)建更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括具有編程順序運動的生物啟發(fā)結(jié)構(gòu)。這使得形狀動態(tài)，因此它們可以在空間中移動。他還可以控制結(jié)構(gòu)改變形狀的速度，從而產(chǎn)生復(fù)雜的連續(xù)運動，例如黃貂魚如何在海洋中游動。

“與傳統(tǒng)的增材制造不同，我們的數(shù)字光4-D打印方法允許我們同時打印多個定制設(shè)計的3-D結(jié)構(gòu)。最重要的是，我們的方法非?？欤蛴r間不到60秒，因此具有高度可擴展性“。

“百勝博士創(chuàng)建可編程3D結(jié)構(gòu)的方法有可能為生物機器人和組織工程開辟許多新途徑。他的方法應(yīng)用的速度和可擴展性使其成為未來研究的獨特工具。應(yīng)用程序，“Meletis說。