生物材料能够以简单结构产生高效率及灵活多变的变形行为,如松塔鳞片具有方向不同的纤维增强双层结构,可以在环境湿度变化时打开或闭合;人体的羽状肌组织利用肌纤维与肌束的角度变化实现驱动力和变形量的调控。与人造驱动器不同,生物材料通常利用一体化的内部结构代替机构进行运动控制。然而,这种一体化的结构材料,传统制造方法难以实现。增材制造技术,通常称为3D打印,能够形成传统制造工艺无法实现的材料内部有序结构及复杂几何形状,为制造仿生材料提供了新手段。具有激励响应特性的智能材料与3D打印技术相结合,可以实现打印材料形状和性质的可编程变化,即4D打印,为仿生驱动材料提供了一种全新的途径。本文对典型的生物材料的驱动方式及其内部结构进行深入研究,揭示了生物材料运用结构设计控制驱动变形的机理,提出了双层结构及纤维定向的仿生驱动器设计方法。制备了用于4D打印的吸水膨胀聚氨酯材料、纤维增强聚氨酯材料、热收缩材料及预应力和形状记忆驱动的聚氨酯材料。运用自主开发的直接墨水书写式3D打印、熔融沉积成型3D打印工艺及材料挤出剪切定向机理,结合模具浇筑工艺,4D打印了双层结构及有序结构仿生驱动材料。研究了打印路径、仿生结构参数、材料配置及外激励条件对仿生驱动材料变形特性的影响,揭示了仿生驱动材料变形控制机理,提出了运用仿生原理和4D打印技术实现驱动器设计制造的新策略。本文主要研究内容概述如下:（1）分析典型生物材料组织变形特性及其结构特性,揭示生物材料运动及变形机制,建立仿生驱动设计方法,开展双层结构及定向纤维仿生驱动结构设计。针对两种不同的仿生设计,研究了双层结构及定向纤维复合材料的3D打印制备工艺,搭建了3D打印试验装置。采用直接书写工艺将吸水膨胀聚氨酯材料打印形状记忆基底上,形成双层结构,利用材料的上下层变形的不匹配,实现多种形式的变形。设计了两种工艺方法,制备定向纤维驱动复合材料。一种是直接书写工艺打印纤维聚氨酯复合材料,利用材料挤出形成的剪切力使材料中的纤维定向。再通过打印路径设计,可实现多种定向纤维结构。另一种工艺是运用熔融沉积成型打印制备定向的形状记忆聚氨酯纤维,再通过浇筑方法将其嵌入在硅胶材料体中。运用聚氨酯纤维与复合材料长轴夹角设计,可以实现对变形的控制。（2）基于生物变形材料双层结构特征,设计了仿生双层结构驱动器。采用吸水膨胀聚氨酯和热收缩形状记忆材料,通过直接书写打印工艺将聚氨酯材料打印在形状记忆基底材料上,制备了在温度和湿度作用下都可以产生变形的双响应双层结构。这种双层结构不仅能够单独响应湿度产生非均匀弯曲变形,还可以单独接受温度激励产生均匀弯曲或者均匀螺旋变形,并且在温度和湿度共同作用条件下,能够产生非均匀的螺旋变形。通过设计双层结构的几何参数及材料分配模式,利用形状记忆材料收缩程度与外激励温度之间的关系,以及螺旋变形程度与打印角度之间的依赖性,设计打印了多种非均匀分布的复合材料双层结构,这种双层结构具有对湿度和温度双重响应特性。表征了复合结构在不同激励下的形状变化,揭示了变形与结构关系,证明了运用外激励编程4D打印的可行性。（3）基于植物纤维增强材料及羽状肌纤维结构,设计了两种仿生纤维定向驱动材料,分为基质驱动和纤维驱动的纤维-基质复合可变形材料。植物定向纤维可变形材料内部存在定向的纤维镶嵌在吸水膨胀基质材料中,吸水时基质材料膨胀,定向纤维控制整体材料的变形方式。人的羽状纤维则采取了另一种策略,纤维收缩引起肌束变形,由肌纤维与肌束的角度控制变形量和驱动力。采用吸水膨胀聚氨酯材料和短切碳纤维混合物作为材料,通过直接书写打印工艺使纤维受剪切力形成定向排列。研究了纤维取向角对变形特性的影响,结果表明通过纤维方向设计,可以控制定向纤维材料的变形方式。采用形状记忆聚氨酯材料,运用熔融沉积成型3D打印技术,打印了定向聚氨酯纤维结构。将打印的定向聚氨酯结构嵌入硅胶基质中,形成定向纤维聚氨酯-硅胶复合驱动材料。利用聚氨酯的形状记忆特性使打印的定向纤维产生变形驱动。将打印的聚氨酯定向结构在高于其玻璃化转变温度条件下施加外力使其伸长,之后降温去除外力,再次加热时聚氨酯产生形状恢复变形,从而驱动复合材料产生整体变形。研究了纤维方向对变形特性的影响,发现通过改变纤维方向可以调控复合材料的变形模式。（4）运用数值模拟,进行了4D打印变形预测和建模研究。在4D打印变形特性的研究中,首先对其在二维和三维空间中的曲率相关理论知识进行了深入研究,确定了4D打印变形曲率计算表征方法。对4D打印聚氨酯材料变形过程进行图像采集,利用软件提取图像中的特征点集合,求出二维和三维空间中的曲率。通过对试验数据拟合和图形化,建立对应的变形函数表达式,最后利用相应的计算公式求解曲率。利用Matlab软件中的CF工具箱,建立了预测曲线曲率的数学模型,使用Weingarten变换定理求解高斯曲率值,通过调整高斯曲率值得到对应散点值,拟合出三维曲面的函数,建立变形预测模型。利用曲率的预测模型,在打印前预测出该材料变形过程及其最终变形效果,从而实现对4D打印变形效果的精准预测,建立的模型可用于4D打印结构设计。