为了制备一种具有高强度和塑性的材料，并可在不同的刺激下显示出不同行为，研究人员将涂有螺吡喃(SP)发色团的光响应纤维嵌入到热敏凝胶中。这种新材料具有明显不同的光学和热学特性。

(图片来源：匹兹堡大学)

通过结合光响应纤维和热响应凝胶，匹兹堡大学斯旺森工程学院和克莱姆森大学的研究人员们数值模拟了一种新型混合材料，在暴露于光和热下，该材料可多次变化成不同形状，让制备的组件不仅能适应它们的环境，并且在不同的刺激条件下，表现出明显不同的行为。

由匹兹堡大学化学和石油工程杰出教授Anna C. Balazs和克莱姆森大学材料科学和工程学副教授Olga Kuksenok共同开发的数值模拟，预测了这些复合材料将既会是高度可重构的，又是高强度的，预示着这种材料具有用于仿生四维印刷的潜力。他们题为 “Stimuli-responsive behavior of composites integrating thermo-responsive gels with photoresponsive fibers” 的研究论文最近被发表在《Materials Horizons》期刊中，由皇家化学学会出版(DOI:10.1039 / C5MH00212E)。

“在4D打印领域，时间是材料结构特征的第四维空间；即这些材料被打印出来后，仍可改变形状。这种使材料可改变形状的能力降低了为每个应用建立新部分的需要，因此，可能会显著地节约成本，”Balazs博士解释道。“研究人员面临的挑战是创建一种材料，既有强度又有塑性，并且在暴露于不同的刺激条件下，显示出不同的行为。”

Balazs和Kuksenok博士解决了这个问题，通过将涂有螺吡喃(SP)发色团的光响应纤维嵌入到热敏凝胶。这种新材料具有明显不同的光学和热学特征。

“如果我们将复合物样品锚定到某个表面上，在曝光时，它将按一个方向弯曲，在受热时，向另一个方向弯曲，”Kuksenok博士说。“把样品分离后，在受热时，它像手风琴一样收缩，在曝光时，像毛毛虫一样卷起来。这种可编程行为让单个对象显示不同的形状，因此这些特性取决于材料如何接触光照或者热量”。

研究人员指出，通过在纤维上局部涂抹螺吡喃，复合材料所包含的“隐藏”图案，在曝光时出现，使材料的变形方式可被定制，而这不可能仅仅通过加热样品而完成。这种仿生的刺激响应运动可以使连接处在光照下弯曲或伸直，并成为一种新型自适应设备的重要组成部分，比如灵活机器人。

 “机器人是很棒的工具，但当你需要一些东西来检查精细结构，如人体内部，你想要一个“软”的机器人，而不是使用具有连锁齿轮和锐利边缘的传统机器人，”Balazs博士说。“这种复合材料有助于实现柔软可重构性设备，当暴露与不同环境下时显示出程序化功能。”

就像Balazs博士所指出的，“这项工作的真正意义在于我们设计了一种复合物，可产生一系列动态响应和结构。在概念层面上，我们的研究结果提供了利用不同刺激响应材料组件创建自适应组件的指导方针，这些自适应材料可被控制并反复驱动来显示出新的动态行为和大规模运动。”

关于这个发现的未来研究将集中在改变部分嵌入纤维的排列，来创建可作为夹子的手状结构。