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Multiscale Heterogeneous Polymer Composites for High Stiffness 4D Printed Electrically Controllable Multifunctional Structures

材料科学 3D打印 变形 执行机构 刚度 软机器人 墨水池 复合材料 3d打印 平面的 聚合物 机械工程 计算机科学 人工智能 生物医学工程 工程类 计算机图形学(图像) 医学 计算机视觉
作者
Javier M. Morales Ferrer,Ramón E. Sánchez Cruz,Sophie Caplan,Wim M. van Rees,J. William Boley
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (8) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/adma.202307858
摘要

Abstract 4D printing is an emerging field where 3D printing techniques are used to pattern stimuli‐responsive materials to create morphing structures, with time serving as the fourth dimension. However, current materials utilized for 4D printing are typically soft, exhibiting an elastic modulus ( E ) range of 10 −4 to 10 MPa during shape change. This restricts the scalability, actuation stress, and load‐bearing capabilities of the resulting structures. To overcome these limitations, multiscale heterogeneous polymer composites are introduced as a novel category of stiff, thermally responsive 4D printed materials. These inks exhibit an E that is four orders of magnitude greater than that of existing 4D printed materials and offer tunable electrical conductivities for simultaneous Joule heating actuation and self‐sensing capabilities. Utilizing electrically controllable bilayers as building blocks, a flat geometry that morphs into a 3D self‐standing lifting robot is designed and printed, setting new records for weight‐normalized load lifted and actuation stress when compared to other 3D printed actuators. Furthermore, this ink palette is employed to create and print planar lattice structures that transform into various self‐supporting complex 3D shapes. Finally these inks are integrated into a 4D printed electrically controlled multigait crawling robotic lattice structure that can carry 144 times its own weight.

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