未來的機電一體化印刷自折疊紙結構

當想到自然運動時，植物很可能在大多數人的列表中排在最后。事實是植物可以執行復雜的運動，但是它們只能非常緩慢地執行。植物運動的主要機制是水分的吸收和釋放。植物組織中存在的纖維素會吸收水分并使其膨脹，而纖維素纖維的底層排列可根據需要引導運動。現在，如果我們從這種自然現象中汲取靈感并將其用于未來的工程應用，該怎么辦?

令人驚訝的是，事實證明，這種運動可能成為生產新型機器人和機電一體化設備的基礎。在最近發表在《先進智能系統》上的一項研究中，日本芝浦工業大學(SIT)和早稻田大學的科學家團隊基于這種自然界的概念開發出了一種最簡單的方法來制作論文僅使用標準噴墨打印機就可以根據需要折疊自己。SIT的首席科學家Hiroki Shigemune博士解釋了這項研究的動機：“目前，用于快速生產物體的打印技術已成為人們關注的焦點，例如3-D打印。然而，打印功能機電設備仍然是一個巨大的挑戰;我們解決了這一難題通過尋找一種方便的方法來打印自動折疊的紙張結構，這是可行的。由于紙張主要是纖維素，因此我們從植物中汲取了靈感。”

研究人員首先用不同的水溶液填充普通打印機的墨盒，然后在紙上打印簡單的直線，使其自行折疊(圖1)。在確定最佳溶質(LiCl，氯化鋰)之后，他們探索了不同濃度如何導致不同的自折疊時間。為此，他們用四種不同濃度的LiCl水溶液填充了打印機上的四個墨盒(黑色，品紅色，黃色和青色墨水)。純凈水幾乎立即引起折疊反應，而高濃度的LiCl引起折疊開始略有變化。反過來，相對較低的濃度導致折疊開始的巨大變化，甚至折疊時間更慢。

有了自動折疊機制，科學家要做的就是給打印機一個文件，以根據所需的折疊順序打印包含相應顏色的線條。這種簡單的方法使他們能夠產生各種自折疊的折紙結構，包括傳統的紙飛機和可定位，懸掛然后自行回縮的小型紙梯。SIT的前田慎吾博士說：“通過簡單地設計合適的印刷圖案，我們的技術可以很容易地生產出柔性，可拉伸，可展開和可壓碎的折紙結構。”

現在，研究團隊將專注于使用這種新穎的自折疊方法來開發機電設備。為此，他們會將這種方法與他們自己開發的先前技術結合起來。一種使用標準打印機在電線上打印電線的方法。早稻田大學的橋本修二博士說：“通過融合這兩種技術，我們將實現一種機電元件和造紙機器人的快速而簡單的制造過程，它將在航天，醫療和農業領域中找到適合的應用。需要制造的一次性智能設備。”

還值得注意的是，自動折疊過程不需要外部能源或任何類型的復雜機械，使其成為實現真正的植物靈感運動的有吸引力的環保選擇。早稻田大學的Hideyuki Sawada博士說，他們成功地實現了硅棒中的“后驗光致性”。換句話說，當它們有選擇地面向太陽或其他光源時，它們設法重現了某些植物(如向日葵)的自然運動。他解釋說：“使用這種技術，我們可以通過確保它們始終面對太陽而設計出效率更高的太陽能電池板。”

這項研究展示了我們如何利用大自然的靈感來開發革命性的技術，即使使用噴墨打印機等普通設備也是如此!