近日，蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）的復雜材料研究人員開發出了一種3D打印方法來開發設計具有精美微結構特征的復合材料。在此之前，這種結構特征只在自然生長的生物材料中見到過。利用這種“多材料磁力輔助3D打印系統（MM-3D printing），研究團隊已經有效地超越了3D成型能力，甚至進入了一種5D設計空間。據稱這一技術最終可以開發出多功能的變形軟裝置，這種裝置可以用于創建類似人體肌腱或者肌肉的機械連接系統，或者制造軟機器人的選擇性拾取-放置系統等。

研究人員認為，將多種材料融合在一個3D打印對象中就為創建動態可編程的對象創造了可能性——這種可能性我們已經看到了，比如使用加載了陰極和陽極材料的油墨實現微型鋰離子電池的直接布線；或者將細胞與生物相容性水凝膠結合起來探討組織再生的可能性等等。這些3D打印的設計往往類似于自然界中活細胞生長生物材料的方法，但是直到現在，人類設計的結果也沒有達到與之相同的復雜水平。“與常規的3D打印技術相比，活細胞所具備的獨立局部成份和紋理控制水平至少多出了兩個自由度（或者維度）。”他們解釋說。

而受到自然界中復雜多樣的構建方式的啟發——比如植物能夠根據環境因素的影響改變自己的形狀——研究者們設計了“一種可以在5D設計空間編程并制造合成微結構的增材制造方法。”所謂的5D設計空間，指的是除了增材制造的3D成型能力之外，還包括了合成物的本地控制（1D）和顆粒方向（另外1D）。

MM-3D打印平臺原理圖。

用3DDiscovery公司的regenHU改裝成的MM-3D打印平臺

我們已經接觸到了一些4D打印的技術，比如那些使用3D打印的形狀記憶高分子材料創建的復雜的自我折疊結構等。而為了實現“5D可編程性”，瑞士研究人員使用了一種將具有磁響應屬性的顆粒懸浮在液態光敏樹脂中制成的墨水。隨后他們改裝了一臺商業3D打印機——3DDiscovery公司的regenHU，并用它來沉積墨水。

改裝后的3D打印機配備了四個可獨立尋址定位的注射器，每個注射器里可盛放不同配方的墨水。這臺3D打印機上還安裝了一個由兩個部件組成的混合/分配單元，并由該單元來控油墨組成的變化。至于墨水，研究人員使用了兩種具有不同流變特性的墨水：具有粘彈性的“成型”墨水，用于生成外框；低粘度的“紋理”墨水，用于輪廓內的打印。

帶內部螺旋樓梯的MM-3D打印對象。“成型”墨水被指示為灰色，而“紋理”墨水被指示為米色。周邊的黑色圖案則代表了光刻掩模

為了展示自己開發的MM-3D打印平臺所具備的定向、復合和形狀控制能力，研究人員打印出了一個具有復雜形狀以及與自然界完全不同的非均質精細微結構的3D對象（見上圖）。他們將這個對象成為“螺旋”，該對象的外部呈現了各種不同的凸起和凹陷的曲面，而其內部則將眾多小片匯集成螺旋樓梯的形式，從底部一直延伸到頂部。整個對象的大小僅為18毫米，其圓形底座直徑為16毫米，頂部直徑為10毫米，總共由60個圓形層組成。科學家們稱，這種極端復雜的小尺寸3D打印對象代表了一種更加先進的人造物體，這種物體比以前更加接近于生物材料和植物系統中那種豐富、復雜、高效的幾何形式。

研究者還能夠使用這種3D打印平臺創造出軟性的機械緊固零件和3D變形的鎖鍵連接器。“雖然可以設想許多其他功能，但我們提供的例子包括利用非均質復合材料的形變來制造軟性的機械緊固件，這種緊固件的工作原理非常特殊，它不需要任何化學粘合，完全可以根據緊固系統預先編程好的形狀變化帶驅動不同部件之間的機械互鎖。”

他們提出這種緊固系統可以創建類似人體肌腱或者肌肉的機械連接系統，或者這種可重新設置的鎖鍵連接器也可以用作能夠自主觸發的靈活關節等。

通過MM-3D打印技術打印的可編程變形對象制造的軟機械緊固件。

這項研究的領導者為Dimitri Kokkinis、Manuel Schaffner和André R. Studart，并得到了美國空軍科學研究辦公室、瑞士國家競爭力與研究中心（NCCR）和蘇黎世聯邦理工學院的資助。