韩国KRICT研究团队开发出一种基于工业副产物硫元素的4D打印聚合物材料，为软体机器人制造提供全新解决方案。该材料具备可重复加热塑形、形状记忆及多刺激响应特性，可在温度、光照或磁场作用下实现自主变形，无需电池或电机驱动。同时材料支持回收再利用，有效降低3D/4D打印废弃物问题。研究展示了游动机器人、抓取装置及自开启胶囊等应用，推动可持续、智能化软体机器人技术发展。
软体机器人领域长期面临一个问题：用于制造柔性、类生命形态机器人的材料，往往难以被加工成精确且实用的结构。来自韩国化学技术研究院（KRICT）的一支研究团队，可能找到了一个解决方案，他们利用了一种极其廉价却常被忽视的工业废料——元素硫。
他们的方法将一种基于硫的聚合物与4D打印技术相结合。所谓4D打印，是指打印出来的物体能够在时间推移中，在热、光或磁场等刺激下发生物理形变。最终形成的是一个可以制造游动机器人、抓取机械臂以及自开启胶囊的平台，而且这些结构全部由一种在使用寿命结束后可以重新熔融并再次打印的材料构成。
该研究团队由KRICT的金东均博士（Dong-Gyun Kim）领衔，并与汉阳大学和世宗大学的研究人员合作开展。他们将这一成果描述为该领域的首次示范。“本研究代表了将工业硫废料升级利用为先进机器人材料的首个案例，”金博士表示，“能够自主运动并且可回收的智能材料，预计将成为未来软体机器人与自动化技术的重要驱动力。”
从工业废料到可打印材料
元素硫是石油和天然气炼制过程中产生的副产物，在全球范围内大量积累。在这项研究中，它被用作新型聚合物的一种关键构建单元。这种结构赋予材料一种不同寻常的性能组合：在加热时可以像液体一样流动，冷却后则能固化并保持打印时的形状，同时还可以在需要时再次被重塑。
这一特性源于材料内部的化学键性质。与传统塑料不同，后者的分子结构通常是永久固定的，而这些基于硫的聚合物包含能够断裂并重新形成的化学键。当材料被加热时，它会软化并通过打印喷嘴流动；当冷却后，又会固化成打印时设定的形状。而当需要改变形状或对整个产品进行回收时，只需再次加热即可完成。
具有“形状记忆”的材料
每一种聚合物变体都具有一个特定的温度，在该温度下材料会从刚性状态转变为柔性状态。在此温度以下，它能够保持既定形状；而在超过该温度后，材料会软化并恢复到最初打印时设定的原始形态。研究人员通过组合三种不同的变体——分别在约14°C、32°C和52°C发生响应——构建出能够在升温过程中依次运动的结构，使得不同部分在同一热源作用下按顺序激活。整个过程无需电机、电池或任何电线。
除了温度，这种材料还可以通过近红外光进行触发。通过将低功率光源照射在结构的特定区域，可以只加热该局部区域，使其发生形变，而周围部分保持不变。对于需要精确控制的应用场景，例如单个关节的开启或容器盖子的释放，这种局部控制能力是传统材料难以实现的。
当设备达到使用寿命末期时，可以将其拆解、研磨成粉末，然后再次送入打印机进行重新制造。这种既能“打印”也能“反打印”的材料体系，形成了一个闭环流程，从而解决了3D打印领域长期存在的一个问题——废弃物难以回收利用。
无需连线即可运动的机器人
通过在聚合物中混入氧化铁颗粒，研究人员制备出一种能够响应磁场的复合材料。这使得机器人可以完全脱离外部连接运行，即无需电缆或电源，通过在其下方移动磁铁即可实现控制，从而实现游动、旋转、抓取和释放等动作。
实验中的细丝状机器人在水下展示了三种不同的游动方式，并能够跨越物理障碍。虽然加入氧化铁会使材料略微变硬、延展性有所下降，但所有版本仍然保持了足够的柔性，能够满足实际软体机器人应用需求。
仍然存在的挑战
尽管这一平台具有创新性，但仍处于早期阶段，研究团队也坦诚指出了目前的局限性。
材料的打印条件较为敏感，并且随着配方的改变而不断变化。无论是增加氧化铁含量，还是调整硫的比例，都需要对打印参数进行重新校准。如果打印速度过快，会在材料内部形成肉眼不可见的微小气泡，但这些气泡足以影响小型机器人在运动时的平衡性。
此外，该材料在化学上存在两个弱点：它在接触四氢呋喃和氯仿时会发生降解，而这两种溶剂在实验室和工业环境中较为常见。同时，氧化铁的添加量也存在上限，一旦超过20%，材料会变得过于黏稠，难以通过喷嘴挤出，从而限制了机器人对磁场的响应强度。
推动4D打印走向真实材料应用
KRICT的这项研究出现在一个关键时间点，目前研究人员正努力将4D打印从概念验证推进到真正可编程、可重复利用并具备可制造性的材料体系。问题的关键从来不在于证明材料能够发生形变，而在于能否构建出可靠执行这一功能的材料。
除了KRICT的工作之外，其他研究团队也在推动该领域的发展。例如，宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种4D打印方法，制造出基于水凝胶的智能“皮肤”，能够在热、溶剂或机械应力等刺激下动态改变形状、纹理和外观，展示了单一材料承载多种可编程功能的潜力，而不是仅具备固定属性。
此外，马德里理工大学与IMDEA材料研究所的研究人员提出了一种基于降解触发的方案，通过控制聚乙烯醇在水中的分解过程，逐步释放储存在第二种聚合物中的弹性能量，使驱动触发机制从传统的热或光转变为“时间”的流逝本身。
尽管这些研究扩展了4D打印的能力边界，但它们都未能解决材料可回收性的问题。相比之下，KRICT基于硫的材料平台在这一方面提供了直接的解决方案，因此具有突出的意义。
