用于具有磁和机电特性的智能材料的4D打印机

马德里卡洛斯三世大学(UC3M)的研究人员为4D打印机创建了软件和硬件，在生物医学领域应用。

除了3D打印之外，这台机器还允许控制额外的功能：对材料的响应进行编程，以便在外部磁场下发生形状变化，或者在机械变形下发生其电性能的变化。这为软机器人或智能传感器和基板的设计打开了大门，这些传感器和基板将信号传输到不同的蜂窝系统，以及其他应用。

该研究线的重点是开发柔软的多功能结构，这些结构由具有模仿大脑或皮肤等生物组织的机械性能的材料组成。此外，当通过外部刺激(例如磁场或电流)驱动时，它们能够改变其形状或特性。

到目前为止，这组研究人员在设计和制造这些结构方面取得了一些进展，但他们在形状设计和智能响应编程方面非常有限。他们发表在《先进材料技术》杂志上的最新研究中提出的工作使他们能够通过开发新颖的4D打印方法开辟新的可能性。

“这项技术不仅使我们能够控制打印三维结构的方式，而且还使它们能够响应外部磁场的作用而改变其属性或几何形状，或者在它们变形时修改其电特性的能力”，其中一位研究人员Daniel García González解释说，他是ERC 4D-BIOMAP(GA 947723)项目的负责人，也是UC3M连续介质力学和结构理论系的副教授。

这种类型的印刷很复杂，因为要挤出的材料在印刷过程中从液体过渡到固体。因此，有必要了解材料动力学以适应制造过程，并获得材料在流过打印机喷嘴时具有足够的液体，但同时又足够坚固以保持特定的形状。

为此，他们开发了一种跨学科的方法，结合了理论和实验技术，使他们能够从头开始构建打印设备，包括设备的物理部分(硬件)和允许控制它的计算机程序(软件)。

自我修复材料

研究人员还开发了一种新的材料概念，能够在不需要外部作用的情况下自主修复，根据最近发表在《复合材料B部分：工程》杂志上的另一篇出版物。

“这种材料由嵌入具有剩余场的磁性颗粒的软聚合物基质组成。出于实际目的，就好像我们在材料中分布了小磁铁，因此，如果它破裂，当产生的零件再次组合在一起时，它们将在物理上连接以恢复其结构完整性“，丹尼尔·加西亚·冈萨雷斯说。

由于这些进步导致了几项注册专利，这些科学家已经能够打印三种类型的功能材料：一些响应外部磁场而改变其形状和特性;其他具有自我修复能力的人;以及其他电性能(电导率)根据其形状或变形而变化的人。

对于第一种材料，他们开发了智能基质，将力和信号传递到细胞系统，以便它们可以影响细胞增殖或迁移等生物过程。这些材料还可用于设计性能可以通过磁场控制的软机器人。

材料具有自愈能力，其导电性能随变形而变化，为传感器的开发开辟了巨大的可能性。

“我们可以想到附着在我们身体上的传感器，从电导率的变化中收集有关我们运动的信息。此外，该材料的自愈能力允许设计具有二进制信号的传感器。例如，如果我们膝盖受伤并且需要将旋转限制在最大值，我们可以在关节上加入一小段这种材料。这样，当我们超过这个最大旋转时，材料会断裂，显示其电性能的突然变化，从而提供警告信号。然而，当膝盖恢复到放松状态时，材料的愈合能力将导致电信号的恢复。通过这种方式，我们可以监测我们的运动并警告手术后或康复期间的危险情况“，丹尼尔·加西亚·冈萨雷斯说。

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