多用途材料可以制作真实的假肢

大自然为人类肢体设计的蓝图是一个精心分层的结构，坚硬的骨骼被不同的软组织层层包裹，比如肌肉和皮肤，完美地结合在一起。利用合成材料来实现这种复杂的生物设计机器人零件或多部件的复杂机器一直是工程上的挑战。

德克萨斯农工大学和美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的研究人员通过调整单一聚合物的化学成分，创造了一系列质地从超软到极硬的合成材料。研究人员表示，他们的材料是可3D打印的、自愈合的、可回收的，并且在空气或水下可以自然地相互粘附。

材料科学与工程系教授、该研究的通讯作者Svetlana Sukhishvili说:“我们已经研制出了一组令人兴奋的材料，它们的性能可以通过微调得到橡胶的柔软度或塑料的强度。”“它们的其他可取特征，比如3D打印能力和几秒钟内自我修复的能力，使它们不仅更适合现实假肢和柔软的机器人但也适用于广泛的军事应用，如飞行器的敏捷平台和未来的自愈飞机机翼。”

合成聚合物由长串重复的分子图案组成，就像链上的珠子。在弹性体聚合物或弹性体中，这些长链被轻度交联，使材料具有橡胶性质。然而，这些交联也可以通过增加交联的数量来提高弹性体的刚性。

虽然以前的研究操纵交联密度使弹性体更硬，但由此产生的机械强度变化通常是永久性的。“交叉链接就像一块布上的针脚，针脚越多，布料就越硬，反之亦然，”Sukhishvili说。“但我们不想让这些‘缝线’成为永久的，我们想实现动态和可逆的交联，这样我们就可以创造可回收的材料。”

研究人员将注意力集中在参与交联的分子上。首先，他们选择了一种叫做预聚体的母体聚合物，然后用化学方法在这些预聚体链上镶嵌两种小的交联分子——呋喃和马来酰亚胺。通过增加预聚物中这些分子的数量，他们发现可以制造出更坚硬的材料。通过这种方法，他们创造的最硬的材料比最软的材料强1000倍。

然而，这些交联也是可逆的。呋喃和马来酰亚胺参与一种可逆的化学键。简单地说，在这个反应中，呋喃和马来酰亚胺对可以根据温度“点击”和“取消”。当温度足够高时，这些分子就会从聚合物链中分离出来，材料就会软化。在室温下，材料会变硬，因为分子会迅速重新结合在一起，再次形成交联。因此，如果这些材料在环境温度下有任何撕裂，研究人员表明，呋喃和马来酰亚胺会自动重新点击，在几秒钟内愈合缺口。

研究人员注意到，对于不同的刚度水平，交联剂从预聚合物链中分离或松开的温度相对相同。此属性对新利18官方用这些材料。无论是软的还是硬的，材料都可以在相同的温度下熔化，然后作为油墨使用。“通过修改标准3D打印机的硬件和加工参数，我们能够使用我们的材料一层一层地打印复杂的3D物体，”美国陆军研究实验室的研究工程师、该研究的通讯作者弗兰克·加尔迪亚(Frank Gardea)说。“我们材料的独特优势是，组成3D部件的层可以具有截然不同的刚度。”

他说，随着3D部件冷却到室温，不同的层无缝连接，无需固化或任何其他化学处理。因此，3d打印的零件可以很容易地用高温熔化，然后作为打印油墨循环使用。研究人员还指出，他们的材料是可重新编程的。换句话说，在它们被固定成一种形状之后，只需加热就可以使它们变成另一种形状。在未来，研究人员计划通过放大当前研究中概述的多面性来增加他们的新材料的功能。

“目前，我们可以在室温下轻松实现80%左右的自愈，但我们希望达到100%。此外，我们还希望我们的材料能对温度以外的其他刺激做出反应，比如光。”Gardea说。“未来，我们希望探索引入一些低水平智能，这样这些材料就知道可以自动适应，而不需要用户启动过程。”

研究结果详细发表在杂志上先进功能材料．