3D打印的“软猬甲”，可柔可刚，硬度可瞬间增强25倍

新加坡南洋理工大学 (NTU)和加州理工学院(Caltech) 的科学家，3D 打印了一种可根据需要变硬的灵活链甲式织物。

由相互联锁的尼龙塑料聚合物八面体 3D 打印而成，这种织物可以变成刚性结构，其硬度是其松弛形式的 25 倍。作为一种可穿戴结构织物，该开发可以为下一代织物铺平道路，这些织物能够硬化以保护穿着者免受冲击或满足额外的承重要求。

这种织物有可能用于防弹或防刺背心、医疗支持和高强度运动或工作场所(如建筑工地)的保护外骨骼。

一种重量轻且可调节的工程织物，它很容易从软变硬，可以用它来满足患者和老龄化人口的需求，例如，制造可以帮助他们站立、承载负载并为他们提供帮助的外骨骼与他们的日常工作。

灵感来自古代链甲盔甲

科学家们的硬化织物的灵感来自古代链甲盔甲，由 3D 打印的空心尼龙塑料聚合物八面体组成，一种具有八个相等三角形面的形状，彼此互锁。基于“干扰过渡”的科学概念，当包裹在柔软的塑料信封中并真空包装时，柔软的织物会变成坚硬的刚性结构。

在这个转变过程中，粒子从类似流体的软状态转变为类似固体的刚性状态，堆积密度增加，但通常固体粒子对于可穿戴应用来说太重了。

为了解决这个问题，研究人员设计了结构化的尼龙聚合物颗粒，每个颗粒都由空心框架制成，呈环形、椭圆形、正方形、立方体、金字塔形，以及由八面体组成的其他形状，可以互锁。然后将这些结构作为单件进行 3D 打印，以形成具有高拉伸刚度的低密度链甲式织物。

为了在织物的重量和柔韧性之间取得理想的平衡，科学家们对每个颗粒的平均接触点数量进行了建模，并研究了每个结构在应对施加的压力时的弯曲程度。为了控制织物的刚度，他们将其封装在一个柔性塑料信封中，并使用真空将其压实。这种压力增加了织物的堆积密度，使每个颗粒与其相邻颗粒有更多的接触，从而形成比其“软”形式刚性高 25 倍的结构。

3D 打印织物能够承受 1.5 公斤的负载，是自身重量的五十多倍。为了测试材料的刚度和强度，科学家们将一个重 30 克的钢球以每秒 3 米的速度扔到链甲上。刚性时，冲击使织物变形仅 3 毫米，与织物松弛时观察到的 26 毫米变形相比，穿透深度减少了六倍。

加固后，链甲织物可承受高达自身重量 50 倍的重量。

在用塑料聚合物八面体展示了他们的概念后，科学家们还希望使用各种金属来复制可穿戴结构化织物。

受到古代锁子甲盔甲的启发，使用了互锁的塑料空心颗粒来增强我们可调节织物的刚度，为进一步提高材料的刚度和强度，现在正在研究由包括铝在内的各种金属制成的织物，这些织物可用于需要更高承载能力的大规模工业应用，例如桥梁或建筑物。

为了实现这一目标，该团队已经使用铝 3D 打印链甲，并成功证明，在保持尼龙相同的柔韧性和柔软性能的同时，它可以卡入更硬的结构中。

这种 3D 打印的金属链甲可能用于防弹衣等应用，以防止尖锐物体的高速冲击。对于这些情况，外壳材料可以由芳纶纤维制成，也称为 Kevlar，通常用于防弹背心。

展望未来，科学家们将寻求改善其链甲织物的性能，并探索进一步加强它的方法，例如通过磁、电或温度。

3D打印可穿戴面料

3D 打印已被部署用于创建用于各种不同目的的织物。例如，麻省理工学院的研究人员此前曾开发出一种声称“像皮肤一样柔软”的柔性 3D 可打印网眼织物，它可能用于制造医疗设备、可穿戴支架和可植入设备。

与此同时，聚合物专家Polymaker和科思创联合开发了基于 TPU 的聚合物的 3D 可打印织物，作为传统编织技术的更环保替代品。3D 打印织物专为在传统生产线上使用而设计，可以附着在其他服装上，例如鞋、包和帽子。

由于其提供的创作自由，3D 打印在时尚行业的其他地方也得到了应用，甚至还曾在纽约市的 Met Gala 和巴黎时装周等全球活动中亮相。著名的时装设计师 Ganit Goldstein 和 Julia Koerner 最近利用Stratasys 的PolyJet 技术将设计直接 3D 打印到他们的服装上，而 Chiara Giusti 与Superforma Fablab合作创建了一个名为 TECHNĒ的3D 打印服装系列。

时装设计师兼研究员林明静也探索了3D 打印在时装和纺织品设计中的应用一段时间，其论文研究了3D 打印设计与人体之间的关系，以及如何实现 3D 打印纺织品内的流动性。