Представьте, что машины и конструкции, которые мы используем каждый день, от книжных полок из ДСП до многоквартирных домов, могут собираться сами. Больше никаких шестигранных ключей Ikea, никаких подъемных кранов, только напечатанные на 3D-принтере материалы, которые «знают», как сгибаться, скручиваться и напрягаться, как растения, растущие в замедленном видео.
Другими словами, что, если бы мы могли печатать четырехмерные объекты?
Хорошо, конечно, технически все четырехмерно - на самом деле, 10- или более мерно, согласно физикам - но мы в основном думаем о построенном мире с точки зрения длины, ширины и высоты. Четвертое измерение, время, мы рассматриваем как врага, воздействию которого мы изо всех сил пытаемся сопротивляться (эксперты расходятся во мнениях относительно того, является ли пятое измерение «Сумеречной зоной» или группой, которая пела «Эпоху Водолея»).
Итак, мы строим стены и трубы настолько прочными, насколько можем, и продолжаем ремонтировать их по мере старения, потому что строительство требует времени, денег и усилий, и мы не хотим делать это снова и снова. Но что, если бы время не было врагом? Предположим, что структура может разворачиваться сама по себе, как оригами. Представьте, если бы его стенки могли изгибаться или напрягаться в ответ на изменение нагрузки, или если бы подземная труба могла менять форму, чтобы приспособиться к различным потокам воды, или перекачивать воду с помощью перистальтики, как ваша пищеварительная система. С помощью 4D-печати ничто не будет высечено на камне, если только вы этого не захотите.
Если исследователи и производители смогут заставить ее работать, 4D-печать может полностью изменить наше представление о производстве. Компании могли бы печатать убежища, машины и инструменты, а затем упаковывать их и отправлять туда, где это необходимо - например, в районы стихийных бедствий или готовить их к враждебным условиям, таким как космос или дно океана. Там вредные для человека условия окружающей среды могут фактически привести к изменению формы и свойств объекта - причем не единожды, а неоднократно.
В основе всего этого лежат основы физики, химии и геометрии, лежащие в основе самых обыденных природных процессов. Подумайте о том, как ваши волосы меняют форму, когда надвигается шторм. Это простое дело: вода в воздухе заставляет кератиновые белки образовывать необычно высокую долю водородных связей, из-за чего они загибаются назад, а не вытягиваются. Или подумайте о том, как плоский надувной стул принимает предсказуемую форму, когда набирает воздух, потому что его секции имеют разные свойства.
Четырехмерные устройства не требуют ни людей для их создания, ни роботов, для работы которых требуются микрочипы, сервоприводы и арматура. Их единственное «программирование» включает геометрию, физику и химию, заложенные в их структурах.
Добавление измерения
По своей сути 4D-печать представляет собой комбинацию 3D-печати и другой передовой области,самостоятельной сборки.
Самостоятельная сборка - это именно то, на что это похоже - спонтанное упорядочение частей в более крупное функциональное целое. Эта область популярна в кругах нанотехнологов по двум очень веским причинам. Во-первых, самосборка уже происходит на наноуровне и обеспечивает движущую силу процессов, начиная от сворачивания белка и заканчивая образованием кристаллов. Во-вторых, у нас нет молотков, гаечных ключей и отверток, из которых можно построить машину размером с молекулу. Это нужно сделать самому.
Но если бы мы могли масштабировать самосборку до человеческих размеров, это могло бы позволить нам удешевить и упростить существующие продукты или создать новые технологии, которые иначе были бы невозможны. Это кропотливая и часто разочаровывающая работа. Даже в идеальных условиях требуется разбить последовательность сборки, разработать программируемые детали и придумать источник энергии, который запустит ваше хитроумное изобретение. Неплохой идеей также является создание некоторого исправления ошибок. В основном, однако, вам нужны правильные инструменты и материалы для работы.
Введите 3D-печать. Несмотря на то, что новые подходы продолжают появляться, традиционно 3D-печать подразумевает многократное нанесение тщательно определенных слоев полимера на печатную платформу. По мере того как каждый новый слой затвердевает и сливается с предыдущими, возникает трехмерная форма. Ранние модели могли печатать только одним материалом за раз, но более новые 3D-принтеры позволяют использовать более широкий спектр печатных материалов и печатать более чем одним материалом одновременно. Это важный прорыв в 4D-печати, потому что различные материалы позволяют разработчикам строить в областях, которые становятся жесткими, изгибающимися или набухающими, или которые «хотят» складываться определенным образом. У них могут быть зоны, которые впитывают воду, как губка, или генерируют электрический ток при воздействии света. Нет предела возможностям, если вы построили правильную геометрию.
Это то, что Лаборатория самосборки Массачусетского технологического института называетпрограммируемой материей - подход к науке, технике и материалам, который фокусируется на материи, которую можно закодировать, чтобы изменить форму или изменить себя. его функция. Одним из применений программируемой материи является 4D-печать.
Рынок изменчивости
В отчете исследовательской фирмы Marketsandmarkets за 2015 год прогнозируется, что к 2025 году сектор 4-D печати будет составлять 555,6 млн долларов в год. В отчете предполагается, что 4-D технология получит коммерциализацию в краткосрочной перспективе, но лишь умеренный первоначальный прогресс (переключение сопряжено с высокими первоначальными затратами). Что касается первопроходцев, то в отчете выделяются аэрокосмическая, оборонная и военная отрасли, но в качестве потенциальных первопроходцев также рассматриваются такие отрасли, как автомобильная, текстильная, здравоохранение, строительство и коммунальные услуги.
Программируемая материя: геометрия - это судьба
Исследователи Массачусетского технологического института не единственные, кто работает над 4D-печатью, но школьная лаборатория самосборки произвела фурор первым, во многом благодаря выступлениям на TED ее директора, архитектора Скайлара Тиббитса.
Исследователи лаборатории впервые вошли в мир самосборки, создав простых крупномасштабных самостроящихся роботов. Когда они обнаружили, что труд и затраты не работают, они обратились к созданию форм и материалов со встроенной в них логикой.
В 2010 году они создали Logic Matter, набор взаимосвязанных фигур, которые могли решать вычислительные задачи, используя только свою геометрию.
В простейшем случае компьютер работает с использованием электронных вентилей, которые комбинируют 1 и 0 и возвращают истинный или ложный ответ. Эти вентили используют булеву алгебру, которая задает такие вопросы, как «являются ли оба входа единицами?» или "является ли вход 1?" Лаборатория Тиббита задавала те же вопросы, но используя сложные многогранники вместо обычных состояний включения/выключения электричества, представляющих 1 и 0. Ввод включал нажатие фигур на место. Это создало новую конфигурацию, которая позволила бы следующей форме - выходу - прикрепляться только в восходящей (истинной) или нисходящей (ложной) ориентации, обеспечивая ответ.
Логика Материя не поднялась до уровня самосборки - чтобы соединить части, требовались человеческие руки, - но это сделало важный первый шаг в этом направлении, показав, что материя может иметь встроенные в нее инструкции. В последующие годы исследователи из Лаборатории самосборки все больше переходили к предметам, более соответствующим своему названию: геометрическим формам, которые складывались, если их катить или встряхивать в контейнере, цепям, которые принимали определенные формы при встряхивании, и так далее.
Это ознаменовало следующий важный шаг: объединение встроенной геометрической тенденции с затратой энергии (или какого-либо другого фактора окружающей среды), чтобы запустить ее.
Но что это за геометрическая тенденция? Что ж, если вы когда-нибудь пытались сделать что-то из картона (или дерева, или металла), вы знаете, что оно легче складывается, если вы сначала надрезаете его. Таким образом, оценка - это своего рода программирование, способ сделать материал более вероятным, чтобы он вел себя так, как вы хотите. Теперь вместо картона представьте комбинацию материалов, некоторые из которых могут поглощать воду и расти, а другие остаются жесткими. Бросьте его в воду и наблюдайте, как меняется его форма. Будьте достаточно умны со своими фолдами и подсчетом очков, и, прежде чем вы это заметите, у вас будет что-то действительно особенное.
Но во-первых, вам нужно точно контролировать используемые материалы и схему, по которой ваше оборудование укладывает их. И этот подход будет лучше работать в меньших масштабах, где затраты энергии и материальные различия могут иметь больший эффект. 3D-печать из нескольких материалов помогла исследователям обеспечить необходимый контроль, но им также нужны были нужные материалы.
Складывающиеся оригами
Когда Тиббитс поделился своей идеей с людьми из Stratasys, компании по 3D-печати из Миннесоты, они показали ему материал, который может расти на 150% при погружении в воду. Вода предлагает многообещающие средства для манипулирования четырехмерными объектами, поскольку природа предоставляет множество рабочих моделей объектов, которые меняют форму в ответ на воздействие влаги. Мы называем их растениями.
Растения проявляюттропизм, склонность к определенному росту в зависимости от факторов окружающей среды, таких как солнечный свет (фототропизм), вода (гидротропизм), гравитация (гравитропизм), химические вещества (хемотропизм) и даже физический контакт (тигмотропизм). Например, растения имеют тенденцию склоняться к солнечному свету, потому что солнечный свет убивает гормоны, называемые ауксинами, которые стимулируют рост. Следовательно, сторона растения, обращенная к солнцу, растет быстрее, чем сторона, обращенная к нему, заставляя растение наклоняться к свету. Проявив немного воображения, легко увидеть, как мы можем аналогичным образом изменить физику, связывающую материалы, окружающую среду и энергию, чтобы выполнять наши приказы.
Учитывая то, что растения вдохновили исследователей 4D-печати, неудивительно, что в 2016 году команда Гарварда сделала новость, создав 4D-печатную «орхидею», которая принимала форму своего тезки, когда ее помещали в воду.. Цветок был напечатан с использованием гидрогелевого композита, который слой за слоем наносился, как глазурь из кондитерского мешка, на платформу для печати.
Два аспекта процесса печати объясняют поведение цветка. Во-первых, это использование гидрогеля, который может поглощать большое количество воды. Во-вторых, композит также содержал фибриллы целлюлозы - маленькие прочные волокна, необходимые для строения растений. Поскольку целлюлоза всегда текла в известном направлении, команда могла тщательно смоделировать ее, чтобы контролировать, какие части цветка могут набухнуть, а какие останутся жесткими после воздействия воды.
Несомненно, со временем мы увидим еще много экспериментов с использованием множества других материалов, таких как проводники для гибких и динамических электрических цепей. Но мы также, вероятно, увидим, что термин 4D-печать, как и большинство модных словечек, заживет собственной жизнью, расширяясь и охватывая более широкий спектр тем. Например, одна компания, Nervous System, описывает свой новый метод 3D-печати одежды, который создает одежду из искусно расположенных нейлоновых лепестков, соединенных шарнирами, как «4D-печать».
Давайте посмотрим на несколько других потенциальных 4-D вариантов будущего.
Не знаю, искусство ли это, но я бы надела это
Платье Nervous System было разработано с использованиемкинематики, которую иногда называют геометрией движения. Благодаря большому количеству вычислений и продуманному дизайну компания смогла создать гибкую одежду из десятков тысяч жестких взаимосвязанных частей. С тех пор Музей современного искусства приобрел платье и программное обеспечение, которое использовалось для его создания, для своей постоянной коллекции.
Раскрытие будущего 4-D
Мир наномашин имеет фору на пути самосборки, отчасти потому, что он может черпать из природы примеры эффективных, сложных конструкций, которые самособираются, редко ошибаются и самовосстанавливаются по мере необходимости. Перенос этих принципов в человеческий масштаб оказался сложной задачей, но, если это сработает, возможности впечатляют - факт, который не упущен из виду армией США, которая уже разделила 855 000 долларов между Гарвардским университетом, Университетом Питтсбурга и Университетом Иллинойса. для финансирования исследований в области военных приложений, таких как самостроящиеся мосты и убежища.
Мы уже упоминали, как мода и мебель могут стать интересным и прибыльным способом внедрения новой технологии, и, учитывая тот факт, что один размер явно не подходит всем, этот сектор созрел для таких приложений. Вскоре мы сможем увидеть узоры - или подол - которые меняются по команде.
Дело в том, что большая часть привлекательности 3D и 4D печати заключается в ее гибкости. С помощью компьютерного 3D-моделирования компания может подогнать платье или обувь под любую фигуру прямо из ворот, без вырезания или шитья, и напечатать их в единственном экземпляре. Используя четырехмерные материалы и геометрию, одежда могла саморегулироваться в ответ на силы растяжения и напряжения. Обувь для бега может стать более жесткой, чтобы обеспечить боковую поддержку и устойчивость, например, во время игры в теннис.
BMW уже продемонстрировала концепт-кар, который будет включать в себя 4-D дизайн в том, что они называют «живой геометрией». Представьте внутренние или внешние компоненты, которые могут менять форму, чтобы справиться с изменяющимися условиями вождения. Снаружи автомобиля 4-D панели могут регулировать температуру, поток воздуха, рулевое управление или датчики, чтобы максимизировать аэродинамическую эффективность. Шины и тормоза также могут меняться в зависимости от дорожных условий.
В будущем, когда биомиметика и 4D-печать объединятся, мы сможем увидеть медицинские устройства, адаптированные к нашим телам, и даже аугментации тела, которые реагируют на окружающую среду. Вот это мы называем персонализированной медициной.
Конечно, 4D-печати придется преодолеть многочисленные ограничения, прежде чем она сможет полностью раскрыть свой потенциал. Во-первых, процесс остается, во всяком случае пока, очень и очень медленным. И его зависимость от геометрии несколько ограничивает его возможности, но, скорее всего, это временное препятствие. Потенциально более серьезными являются напряжения, которые действуют на любой материал, который вынужден изгибаться, или точки разрушения, которые могут быть вызваны такой геометрией. Более того, в некоторых случаях четырехмерные материалы не могут оставаться неизменными - они остаются в своей новой форме, а не возвращаются к старой, или не могут переключаться между состояниями, как задумано.
Что касается того, является ли 4D-печать причудой, диковинкой или следующим большим событием, покажет только время - достаточно подходящее время.
Трехмерная печать набирает скорость
Одна из основных проблем с 3D-принтерами заключается в том, что они маленькие. Но новая технология, представленная Carbon3D на конференции TED в 2015 году, возможно, просто подтолкнула эту технологию к более высокому уровню. Вместо аддитивного подхода, используемого в большинстве своих родственных принтеров, он использует кислород и свет для выращивания объектов, вытягивая их из ванны со смолой, в процессе, напоминающем высокоскоростной рост кристаллов.
Примечание автора. Как работает 4D-печать
4-D печать все еще находится на ранних стадиях - конечно, слишком рано, чтобы знать, является ли она чем-то большим, чем умный способ продать коллекцию связанных идей, не говоря уже о том, можно ли ее сделать практичной. Но некоторые люди, которые делают ставки на подобные вещи, делают ставки на это, а почему бы и нет? Если он может сделать хотя бы часть того, на что его расхваливают, он пойдет куда угодно. Только посмотрите, как далеко продвинулась 3D-печать всего за несколько десятилетий.
Тем не менее, нужно задаться вопросом, нет ли предела скорости работы этих макромасштабных технологий самосборки. Только так быстро материал может расти, скручиваться, изгибаться или просто сталкиваться друг с другом без необходимости радикального изменения материала. С другой стороны, возможно, достаточное количество энергии, вложенной в данную систему, может решить любую подобную проблему, при условии, что материалы могут выдерживать напряжения.