传统的智能可穿戴材料是将可热调节的相变材料或能收集太阳能的光伏材料并入传统面料来实现。通常3D打印的智能穿戴材料其力学特性，如高抗冲击性、热调节性或导电性等，均来自主体材料本征性能和几何形状的设计。然而，一旦打印成型，材料的特性也往往是固定的。因此，大多数增材制造的智能可穿戴材料都侧重于传感和数据通信。可以为人体提供机械反馈，并执行关节辅助，支撑和触觉感知等功能的具有适应性或力学性能可调的智能可穿戴材料还有待开发。

为实现这项技术突破，美国加州理工学院Chiara Daraio教授课题组的王一凡博士后（现为南洋理工大学助理教授）开发出一种基于3D打印的新型可调控机械性能的结构化“智能”织物。相关的研究工作以“Structured fabrics with tunable mechanical properties”为题，发表《Nature》上。

该织物由3D打印PA 2200尼龙塑料三维结构颗粒单元相互连接而成，形似一层“锁子甲”。不受力时，设计制备的织物具备与普通面料相当的柔性；施加压力后，织物中三维结构单元发生互锁效应，使织物刚度增加由软变硬，并可承担一定的负载。这种变化完全可逆，即压力撤去之后，织物又可恢复柔性状态。这种力学性能可调的智能织物有望应用于可穿戴设备、外骨骼材料甚至未来的应急桥梁等。

【3D打印互锁“链甲”智能织物的设计和制造】

由两层互锁颗粒组成的结构化互锁“链甲”智能织物的设计灵感来自于古代“链甲”和拓扑互锁元素。织物中，每个颗粒都是一个空心的三维（3D）结构，旨在降低整体密度并增强元件之间的接触（图1）。联锁晶格使用选择性激光烧结方法制造，该方法将晶格通过3D打印成一体，无需额外的支撑。堆叠两个链式层以增加链接数量，与“链甲”一样，由此产生的结构化板材可以自由地弯曲，折叠和悬垂，表明了织物具有高度灵活性。

图1：拓扑互锁“链甲”智能织物的设计和原型。

【3D打印互锁“链甲”智能织物的形状可重构性和应用】

所研究的智能织物在被卡入承重结构之前，它们易弯折可以被塑造成不同的几何形状。为了证明织物刚度可调，研究者手动将智能织物设计成一个平面工作台（图2a）和一个拱门（图2b），并施加重压。当处于阻塞相变后，面料的联锁颗粒会被挤在一起，刚度会是松散状态下的25倍左右，其最大载重量为自身重量的50倍以上。由此证明3D打印生产的结构织物具有机械刚性。这种机械性能可调能力对于可穿戴和结构可重构的应用都尤为重要，并且在这些应用中，织物可能需要符合人体行为力学或形成复杂的结构。织物还可以用作可调的保护层，防止撞击。这一特性通过跌落重量冲击测试来证明，将不锈钢珠滴落到悬浮织物上，随着围内压力的增加，弹丸的穿透深度可以大大降低：从0 kPa时的26 mm（图4c）到67 kPa时的4 mm（图4d），使穿透深度减少六倍以上。

图2：所制备智能织物的形状可重构性和应用。

【结论与展望】

该研究工作将新颖的设计和前沿的3D打印技术结合起来，系统地探索了结构化织物的力学性能。随着增材制造技术的不断发展原则上可以将织物厚度从微米级扩展到米级，并使用不同的本构材料（例如金属、陶瓷等），使其应用到医疗、建筑、军工等更多领域。

文章来源：//www.nature.com/articles/s41586-021-03698-7#Sec2