新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家将向日葵花粉和打印机墨粉结合在一起，开发出了一种类似纸张的材料，这种材料能够根据环境湿度自动折叠成新的形状。
使用商用激光打印机在花粉纸上数字化打印的图案，决定了纸张折叠成的三维形状。这个过程是可逆的，但如果在结构上涂上一层壳聚糖(贝类中的一种天然糖)，这个过程就可以被“冷冻”。
新加坡南洋理工大学的团队展示了他们的方法，通过创造几种几何形状，从吸管和盒子到更复杂的形状，如3D纸兰花，并在同行评审期刊上发表了一篇论文美国国家科学院学报(PNAS)亚博老虎机网登录10月19日。
该研究的高级通讯作者说，打印出来的花粉纸折叠成3D形状的能力证明了它在“智能”绿色产品上的应用潜力，如自动折叠的信封、盒子和食品容器。南洋理工大学校长Subra Suresh教授和南洋理工大学材料科学与工程学院赵南俊教授。亚博网站下载亚博老虎机网登录
这个全南洋理工大学研究团队的其他共同作者包括机械与航天工程学院和化学与生物医学工程学院的助理教授黄长进，以及博士后研究员和学生:赵泽(第一作者)，Jatin Kumar, Youngkyu Hwang, Jingyu Deng, Mohammed Shahrudin Bin Ibrahim。
这种材料也有可能用于“折纸机器人”——可以自动折叠成3D形状的平板——用于有特殊形状要求的电子和生物医学应用、形状依赖的组织工程，以及刺激触发的药物输送。
南洋理工大学杰出教授Subra Suresh说:“建设在我们先前的研究花粉的独特性质,我们结合更容易处理花粉粒和具有成本效益的数码印刷发展moisture-sensitive生物材料系统,可以根据需要改变成几何配置,导致复杂的形状取决于我们打印的模式。
“通过计算模拟，我们还模拟和预测了使用各种打印图案的材料的变化，并对不同的湿度水平作出反应。这帮助我们开发了材料和几何设计的一般框架，以可伸缩和可持续的方式生产高度可控的形状变形的自然材料。”亚博网站下载
赵南俊教授表示:““在这项工作中，我们展示了如何利用经济、环保的植物材料和现成的打印技术来生产自动的、按需变形和设计复杂的形状。亚博网站下载通过控制环境湿度自动化折叠过程，折纸灵感机器可以在不需要手工折叠的情况下生产出来，减少了制作所需的技能和时间。”
南洋理工大学的研究小组已经为这项技术的潜在商业化申请了专利。
利用自然可再生资源开发新一代环保材料符合南洋理工大学2025愿景和南洋理工大学可持续发展宣言，该宣言致力于开发可持续解决方案，以解决人类面临的一些紧迫的重大挑亚博网站下载战。
灵感来自于大自然中的折纸艺术
这种自折叠的花粉材料是南洋理工大学研究小组的折纸工艺，这是自然界中发现的一种重要的设计原则，用来描述，例如，花是如何在花蕾中折叠的。科学家们受到天竺葵种子的启发，因为天竺葵种子能够根据湿度水平(空气中的水蒸气数量)卷起和伸直。
南洋理工大学的材料有两层:由向日葵花粉制成的类似纸张的一层，以及在激光墨粉和其他可食用油墨中发现的苯乙烯丙烯酸共聚物。共聚物层是疏水的——它排斥水。虽然科学家们在这项研究中选择了商用激光打印机使用的墨粉，但他们在之前的研究中已经表明，使用标准数字打印机也可以将可食用墨水打印到花粉层上。
制作花粉纸层的过程包括将坚硬的花粉粒变成柔软的微凝胶，这种技术类似于简单的肥皂制作技术。通过早期的研究，南洋理工大学的研究小组表明，这篇基于花粉的论文不会引起过敏反应，但能够根据湿度的变化自动“移动”。
其结果是一种双层材料，由于湿度变化引起的体积变化不匹配，花粉纸和疏水性墨粉印刷部件之间的可折叠和可弯曲。
科学家们发现，印刷图案的几何方向会影响卷取和折叠的方向和程度。例如，一块3厘米x 0.5厘米的带有60度斜度的条纹的花粉材料卷起来形成一根吸管。然而，类似的图案如果印上竖条纹，就会卷起来形成一个圆圈。科学家们用这种方法复制了兰花的复杂结构，证明了打印模式的变化会导致更复杂的形式。
南洋理工大学的研究小组还发现，打印图案的长度会影响以花粉为基础的材料折叠的角度，使他们创造出一个盒子和一个金字塔，当湿度水平的变化触发时，可以打开或关闭。
“这种设计的灵活性和生产盒状结构的印刷策略，也说明了用经济、环保和适合大批量生产的天然材料制造容器(如盒子、杯子和碗)的便捷数字制造途径。”亚博网站下载曹教授说。
对材料性能的计算模拟显示，在不同的湿度水平下，材料的盘绕量与由花粉基质层和图案层之间的应变不匹配引起的应力之间存在直接联系。
“冻结”自动形状变化
对于可能要求材料在湿度水平变化的情况下保持折叠或卷曲状态的应用——例如，在潮湿天气中运输的食品容器或盒子——材料的可逆和自动形状变化可以用壳聚糖涂层关闭，一种在甲壳类动物的外壳中发现的天然糖。
在实验室研究中，南洋理工大学的科学家表明，经壳聚糖处理的花粉纸不会因湿度变化而变形。科学家们说，这表明用花粉材料制成的结构可以在涂上一层壳聚糖后“冷冻”成新的形状。
研究小组目前正在研究如何提高花粉材料对水分反应的灵敏度和速度，并改善花粉材料的稳定性和可控性。
来源:https://www.ntu.edu.sg/