“有些人伟大的就像神明，我一直以为他们会永远活着。他们的伟大让我看不清他们额边的白发，他们脸上的皱纹，我以为他们永远年轻，永远在我看不见的地方为科学为人类至死不休，然后某一天传来他们去世的消息，这实在令人难过。”
国士无双，功勋永存！
导读
4D打印是指在外部刺激下，通过3D打印技术打印的智能材料结构可以随时间可控地变形。与3D打印相比，4D打印扩展了智能材料的成型过程并增加了设计自由度。基于此特性，4D打印技术已应用于许多领域，包括自动化设备，绿色能源，智能纺织品和医疗技术。基于4D打印的执行器是4D打印的重要研究领域之一，与大型笨重的传统执行器相比，4D打印智能材料执行器更轻巧，更灵活，从而扩大了执行器的应用范围，但目前大多数基于4D打印的执行器仅利用智能材料的变形特性，而无法实现4D打印模型的属性或功能的可控更改。为此，上海交通大学的Yanan Wang（第一作者），Xiang Li（通讯作者）在《Composites Part B》上发表了题为“4D printing reversible actuator with strain self-sensing function via structural design”的文章，通过结构设计和双层复合材料的组合制造能够应变自感应的可逆执行器。
内容简介
该致动器是一种双层结构，热塑性层采用直径为1.75 mm的GPLA长丝(Linan Beisen Company, Zhejiang, China)。这种线材是一种导电的形状记忆聚合物树脂（shape memory polymer ，SMP)）。通过0.5mm直径喷嘴的FDM打印机印刷在厚度为0.7毫米的普通复印纸上。如图1所示，双层结构可以通过自行设计的摆动路径结构填充方法实现可逆变形。同时，当双层模型变形时，摆动结构各链间的接触面积发生变化，从而导致模型阻力的变化。这为可逆执行器实现应变自感知功能奠定了基础。
图1传感器可逆执行机构4D打印方法及原理图。(a)采用FDM将GPLA摆动结构打印在复印纸上制备致动器。(b)摆动结构路径涉及的尺寸参数，(c)是沿摆动路径垂直于打印方向的截面视图。(d)摆动结构的θ (θ ' < θ< θ ")不同导致预应变产生的收缩力f在执行器纵向路径方向上分力f ' < f < f "发生变化。当θ = 0时，执行器的理论纵向分量为零。(e)摆动结构中L值的不同(L< L ')导致了预应力产生的收缩力(F < F1)的变化，从而导致分力(f < f1)的变化。(f)在不同位置的双层执行器摆动结构的纵向截面图。从(f3)到(f5)部分是摆动结构的变形可以改变接触电阻的有效结构。(g)双层摆动结构执行器弯曲后的纵向横断面图。
可逆变形机制：双层结构中的GPLA充当主动热塑性层，而纸质基材则成为被动限制层。在FDM打印过程中，可以将预应变存储在模型中。因此，印刷的GPLA结构在玻璃化转变温度（Tg）下释放残余应力，导致沿打印路径的方向收缩。然而，在纸基材的约束下，热塑性层的收缩变形被转换为双层结构的弯曲变形，该双层结构是其编程的初始形状。继续加热直到热塑性层变软，并且在纸基材的恢复力和GPLA的热膨胀的双重作用下，双层结构返回到其平坦状态。当再次冷却热塑性层时，由于GPLA的形状记忆特性，双层结构返回到初始弯曲状态。从初始形状开始的上述变形过程是可逆的。值得注意的是，整个转变的加热温度不能超过相变温度（Th），以防止GPLA失去形状记忆性能。由于印刷的精度，摆动结构的一侧上的尖角不能被印刷，但是减少了多股路径之间的力的干扰。
应变自感知原理：文中提出的摆动路径结构在变形过程中，由于各链间接触面积的变化，结构阻力会发生变化。当模型沿纵向变形时，摆动路径结构中的角θ(图1b)减小。由于每条链的摆动结构是从上到下倾斜的(图1c)，当双层结构弯曲时，接触面积逐渐增大。在这种情况下，电子可以通过隧穿效应通过接触面，从而降低结构的电阻。同样，当双层结构变平时，接触面积减小，导致电阻增加。根据上述机理，可以建立应变与电阻之间的耦合，为实现双层结构的应变自感知奠定基础。
图2示出了双层致动器的制造过程。将纸张放在FDM打印机的加热平台上以打印GPLA（图2a）。复印纸表面的微纤维结构和GPLA材料中的石墨烯纤维可以使两种材料粘合得更好。首先，将印刷的双层结构加热到GPLA将其变形为原始形状（图2b）。然后，双层结构被布线以完成致动器的制造（图2c）。接下来，将铜片放在双层结构的连接点上，并使用焊笔在端子处熔化GPLA，以将其粘合到铜片上。将导线焊接在铜板上。摆动路径结构的每条线并联连接以减小电阻。当完成的执行器通电时，执行器的弯曲角度逐渐减小，并且在断电时会返回到初始的最大弯曲角度（图2d）。对于下面的每个测试，至少要进行五个制造的样品的测试，以确认准确性和可重复性。
图2 传感器可逆执行器的制造过程。（a）打印的执行器处于展平状态。（b）将执行器加热到Tg温度以释放其预应变，并将执行器弯曲到初始最大弯曲角度状态。（c）执行器接线方法示意图。（c1）铜带并联连接摆动结构的每条绞线，以减小执行器电阻。（c2）焊笔用于熔化GPLA并将其粘合到铜板上。（c3）焊接线，用于连接控制电路。（c4）完成外观。（d）对执行器通电以使其加热并膨胀，然后断电以使其冷却并弯曲至初始角度。这个过程是可逆的。
为探究温度因素对试验样品电导率和弯曲角度的影响，本文搭建了如图3a所示的测量平台。采用热电偶温度计检测双层结构的环境温度。用摄像机记录样品模型的弯曲角度以及电阻计和热电偶计的实测值。支架确保样品在培养箱中尽可能均匀地加热。需要注意的是，该测量系统采用了没有预应变的平面驱动器样品，以消除驱动器应变对其导电性的影响。将打印速度降低到5 mm s−1，将每层模型的冷却时间提高到20 s，可有效降低执行器中存储的预应变。同时本文建立了测量系统，得到了双层结构的电压(V)、角度θ、电阻(R)和温度(T)之间的耦合关系(图3b)。由电位器控制的电源为GPLA变形提供可调焦耳加热。电压表用来监测电路的电压，并与电流表结合来检测电阻。采用红外热像仪测量了双层结构表面的温度。用数码相机记录模型的变形角度和电压表、电流表、红外摄像机的实测值。
图3 执行机构性能测量系统。(a).测量执行器的电阻和弯曲角度随温度变化的系统原理图。(b).当执行器受电压激励变形时，测量电压、角度、电阻和温度之间耦合关系的系统原理图。
本部分将摆动结构(图4a)的可逆执行器与现有方案的执行器进行比较。这部分执行器尺寸为30 mm × 10 mm，填充密度为80%，线宽为0.6。在以往的研究中，FDM打印的驱动器大多为线性结构(图4b)，可以产生大的应变。但是这种类型的执行器是沿直线路径方向弯曲的，因此结构变形引起的执行器阻力变化较小。当执行器充满横向路径(即角度θ = 0，图4c)沿纵向方向弯曲时，如以前的研究，结构变形引起的阻力变化较大。然而，沿横向路径释放的预应变只导致执行器在横向方向上轻微收缩，而不是有用的纵向收缩。这意味着该驱动器不具备在没有人为干预的情况下可逆变形的能力。
图4 采用三种方案的执行器进行对比分析，分别为摆动结构执行器(a)、线性结构执行器(b)和横向结构执行器(c)。
为验证上述结论，对三种填充结构下执行器的变形进行了仿真(图6)。为减少计算量，选取三种填充结构中的部分单元作为研究对象。所建立的分析单元模型长度相同，为4.5 mm，填充密度为80%，线宽为0.6 mm。为了保证单元结构的完整性，分析所用的模型宽度不同。模拟结果表明:在相同的预应变下，线性结构的弯曲变形最大，摆动结构的变形居中，横向结构的横向变形较小。
图6 三种方案在相同预应变下的执行机构截面单元变形的比较
带有应变反馈函数的可逆执行器系统的结构如图7a所示。该系统包括计算机、微控制器(MCU、Arduino)、电流电压检测模块、直流电源箱和控制施加电压大小的电位器。带有应变反馈函数的可逆作动器系统的反馈控制结构如图7b所示。它给出了可逆致动器系统的计划弯曲角度。单片机作为系统的主控制器，接收电压电流检测模块的信号，计算出可逆执行器的电流弯曲角。可逆执行器在变形过程中的电压、电流、相对电阻、角度等实时信息通过串行通信发送到计算机显示。电位器根据执行器的实时角度信息反馈，控制负载电压的大小，直到执行器变形到给定的角度。反馈系统用于控制可逆致动器，并产生60◦的弯曲角度作为一个演示(视频1，支持信息)。为了验证可逆作动器系统的变形和运动控制的准确性，同时采用数码相机观察作动器的角度变化。实验表明，两组的角度一致。所构建的具有应变自感知功能的可逆执行器系统在能够感知物体形状的智能机械爪制造中具有潜在的应用前景。
图7 (a)传感器可逆执行器反馈系统图。(b)传感器可逆执行器反馈控制系统
应用：两个执行器单元可以组合成一个两爪机械爪，如图8所示。根据系统反馈的机械爪状态信息，实时监控抓取过程中机械爪的状态，实现对物体形状的智能感知。视频2(辅助信息)展示了机械爪识别物体形状完成抓取并反馈相关实时信息的过程。图8a1、a2所示为控制电压抓取过程的变化和两个爪反馈实时角度值的记录。当机械爪接近被抓物体时，电压升高，机械爪打开(图8a1-a2)。此时机械爪电阻增大，弯曲角度减小。当机械爪开始抓取物体时，电压逐渐降低，使机械爪逐渐闭合(图8a3)。此时机械爪的电阻减小，弯曲角度增大。当机械爪接触物体时，系统反馈的归一化电阻值逐渐稳定(图8a4)。此时，机械爪升起，完成抓取动作(图8a5)。图8b中I ~ V阶段显示了上述四个阶段中左右爪子对应的角度和相对阻力随时间的变化。阶段V对应于机械爪打开放下物体时的状态信息变化。执行机构的变形是可逆的，因此，上述过程可以重复，无需人工编程干预。另外，通过控制电压变化速度，可以方便地调节机械爪的温度变化速度，从而控制机械爪的变形速度。
图8 能够感知物体形状的智能机械爪的应用。随着机械爪逐渐接近物体(a1)，它开始膨胀(a2)。(a3)机械爪打开到适当的范围开始收缩抓取物体。(a4)两个单独控制的爪子分别接触物体表面。(a5)反馈系统接收到控制降低机械爪电压的信号，使机械爪冷却，完成抓取动作。(b)在抓取物体的过程中，左右爪子的弯曲角度和施加电压随时间变化。
小结
文章证明了由低成本FDM打印的具有可变形自感应功能的压控可逆致动器。致动器是由导电GPLA印刷的摆动结构和纸组成的双层结构。GPLA通电产生的焦耳热使双层结构在应力不匹配和热膨胀的双重作用下膨胀，并且摆动结构的接触面积减小，这导致接触电阻增加。断电的致动器的温度降低，并且在GPLA的形状记忆效应下弯曲该结构，这导致摆动结构的接触面积增加而接触电阻减小。摆动结构的变形和温度会同时影响接触电阻的变化，这增加了反馈信号。传感器可逆执行器的可逆变形能力和感知能力的仿真和实验评估结果与理论预测吻合良好。根据反馈电阻信号感应物体形状的智能机械爪在诸如智能机器人和类人动物设备等领域具有潜在的应用。
原始文献：WANG Y, LI X. 4D printing reversible actuator with strain self-sensing function via structural design[J]. Composites Part B: Engineering, 2021, 211:108644. DOI: 10.1016/j.compositesb.2021.108644.
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