法国南布列塔尼大学AM:用于可编程形状变化结构的可持续4D超生物复合材料

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Mechanics of Aerospace

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一、引言

受植物纤维细胞壁S₂层（纤维素微纤丝螺旋排列）启发，法国南布列塔尼大学等团队在Advanced Materials期刊上发表研究“Sustainable 4D Printed Meta Biocomposite Materials for Programmable Structural Shape Changing”，开发出4D 打印管状超生物复合材料，以连续亚麻纤维（cFF）增强可生物降解 PBAT 基体，通过定制旋转3D打印机实现管状结构制造；系统研究了操作长度（L）、纤维倾角（α）、内径（D）、厚度（h）四大结构参数对吸湿驱动性能的影响，发现 α=45时旋转最大，厚度0.9mm时饱和吸湿时间达22.1h，材料比扭矩最高29 N·m/kg（媲美木材纤维束），能量密度与天然纤维相当；最终基于该材料开发气象敏感被动太阳跟踪器原型，在实验室实现160° 旋转，户外环境下随湿度变化完成东西向跟踪，为可持续结构形状变化应用提供新方案。

论文标题为“Sustainable 4D Printed Meta Biocomposite Materials for Programmable Structural Shape Changing”。

二

研究内容

从植物纤维S₂层（以木材细胞为例）的吸湿旋转特性获取灵感，通过定制旋转3D打印机制造连续亚麻纤维增强管状超生物复合材料，随后通过参数分析确定材料在湿度刺激下的驱动性能窗口，再借助解析模型与有限元模型预测吸湿旋转行为，最终呈现气象敏感太阳跟踪器原型的实验室与户外测试场景，直观串联起“生物灵感—材料制备—性能验证—应用落地”的全链条。

图1 气象敏感被动太阳跟踪系统仿生设计流程示意图

本研究结合仿生学与4D打印的设计灵活性，提出一种创新方法，开发出新型先进可持续吸湿敏感旋转驱动器。这类驱动器兼具仿生灵感与生物基特性：其介观结构借鉴了植物纤维细胞壁的复杂架构—由于植物纤维细胞壁S₂层中刚性纤维素微纤丝呈典型螺旋排列，纤维在吸湿时可产生兼具高力输出能力的旋转驱动。

图2 4D 打印 cFF/PBAT 管状超生物复合材料参数化配置及微观截面图

借助可在管状表面打印的定制3D打印机，研究团队成功制备出连续亚麻纤维增强的管状生物复合材料。该管状超生物复合材料对环境湿度变化具有高敏感性，这一特性源于亚麻纤维的亲水性，尤其是其显著的横向吸湿膨胀能力。研究通过测试材料从干燥状态到90%相对湿度环境下的旋转角度与扭矩输出，评估了4D打印吸湿敏感管状超生物复合材料的驱动能力，并探究了四大结构参数（管的操作长度、纤维倾角、管的内径及厚度）对旋转与扭矩输出的影响。同时，研究还开发了有限元分析模型与解析模型，用于预测管状超生物复合材料的驱动性能，进一步明确结构参数的影响机制。

图3 4D 打印 cFF/PBAT 超生物复合材料与其他智能材料的比刚度 - 能量密度 Ashby 图

实验结果与此前对植物纤维行为的观察结论一致，测得该材料的比扭矩最高可达29N·m/kg。相较于天然纤维相关研究，4D打印管状超生物复合材料的应用尺度更大，为新型结构驱动应用开辟了道路。此外，4D打印的设计灵活性使其能够探索多种结构构型，实现驱动性能（响应性与反应性）的广泛调控。

图4 基于 4D 打印管状超生物复合材料的太阳跟踪器原型及测试结果

最后，在太阳跟踪应用案例研究中，研究探讨了4D打印管状超生物复合材料的可编程潜力—通过调控超生物复合材料的结构参数，使其在环境相对湿度日常变化下具备向光性，成功实现了气象敏感型被动太阳跟踪功能。

图5 旋转 3D 打印流程及管状超生物复合材料驱动性能测试装置示意图

三

小结

生物结构为利用可持续资源开发先进材料提供了灵感，助力实现被动式结构变形。尽管人们对简约导向型创新的关注度日益提升，但基于可再生资源的可持续形状变化材料仍未得到充分探索。本研究结合仿生学与4D打印的设计灵活性，提出一种创新方法，开发出新型先进可持续吸湿敏感旋转驱动器。本研究通过简化单一植物纤维细胞壁（如S₂层）的结构，利用连续亚麻纤维（cFF）增强材料的吸湿变形特性，设计出新型4D打印管状吸湿驱动结构驱动器，这类新型仿生活性材料被称为超生物复合材料。研究团队通过定制旋转3D打印机制备该材料，并对其进行性能验证与吸湿行为测试。该材料的整体性能取决于旋转角度与扭矩的平衡，其能量密度可与天然灵感来源（天然纤维细胞壁）相媲美。为验证应用潜力，研究团队开发了气象敏感旋转结构原型，该结构可将运动传递至外部设备（如太阳跟踪器），充分体现了该材料的实用价值。

END

原始文献：

M. Josselin, M. Castro, N. Di Cesare. et al. Sustainable 4D Printed Meta Biocomposite Materials for Programmable Structural Shape Changing. Adv. Mater. 2025, 37, 2418656.

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202418656

关键词：

4D-printing；biocomposites；biomimicry；metamaterials；meteosensitive