可编程材料：能够产生复杂运动的水凝胶

生物体扩张和收缩软组织以实现复杂的三维运动和功能，但用人造材料复制这些运动已证明具有挑战性。

德克萨斯大学阿灵顿分校的研究人员最近在Nature Communications上发表了一项开创性研究，该研究显示了寻找解决方案的希望。

UTA材料科学与工程系的助理教授Kyungsuk Yum和他的博士生Amirali Nojoomi已经开发出一种方法，通过该方法可以对二维水凝胶进行编程，以空间和时间控制的方式进行扩展和收缩。强迫它们的表面，形成复杂的三维形状和运动。

这个过程可能会改变软工程系统或设备的设计和制造方式。该技术的潜在应用包括生物启发的软机器人，人造肌肉 - 这些软材料可以改变其形状或随着肌肉的作用而响应外部信号而移动 - 以及可编程的物质。该概念也适用于其他可编程材料。

“我们研究了生物有机体如何使用连续可变形的软组织(如肌肉)来制作形状，改变形状和移动，因为我们有兴趣使用这种方法来创建动态的三维结构，”Yum说。

他的方法使用温度敏感的水凝胶，局部度和肿胀和收缩率。这些属性允许Yum使用他开发的包括三维加时间的数字光4-D打印方法在空间上编程水凝胶如何膨胀或收缩以响应温度变化。

使用这种方法，Yum可以在一步过程中同时打印多个3-D结构。然后，他通过数学方法对结构的收缩和膨胀进行编程，形成三维形状，如鞍形，皱纹和锥体，以及它们的方向。

他还开发了基于模块化概念的设计规则，以创建更复杂的结构，包括具有编程顺序运动的生物启发结构。这使得形状动态，因此它们可以在空间中移动。他还可以控制结构改变形状的速度，从而产生复杂的连续运动，例如黄貂鱼如何在海洋中游动。

“与传统的增材制造不同，我们的数字光4-D打印方法允许我们同时打印多个定制设计的3-D结构。最重要的是，我们的方法非常快，打印时间不到60秒，因此具有高度可扩展性“。

“百胜博士创建可编程3D结构的方法有可能为生物机器人和组织工程开辟许多新途径。他的方法应用的速度和可扩展性使其成为未来研究的独特工具。应用程序，“Meletis说。