Если вы похожи на большинство людей, вы, вероятно, все еще обдумываете идею 3D-печати. Вот где печатающая головка, управляемая цифровым чертежом, распыляет последовательные слои материала друг на друга, чтобы создать твердый трехмерный объект. Но несмотря на то, что эта технология быстро завоевывает популярность в самых разных областях, от аэрокосмической до стоматологии, ученые придумали нечто еще более дикое: 4D-печать, в которой принтер создает объекты, запрограммированные на изменение формы с течением времени. или в ответ на определенные раздражители.
Ряд исследователей работают над технологией 4-D печати. Теперь группа ученых из Института биологически вдохновленной инженерии Висса Гарвардского университета и школьного директора Джона А. Школа инженерии и прикладных наук имени Полсона (SEAS), возглавляемая Дженнифер А. Льюис, одним из основных преподавателей Wyss, совершила еще один прорыв. В статье, опубликованной в Nature Materials, они описывают новый, более рациональный процесс, вдохновленный изменениями растений в ответ на такие раздражители, как свет, влажность или прикосновение.
Вход в четвертое измерение
Концепция 4D-печати была впервые разработана командой Массачусетского технологического института под руководством ученого-исследователя Скайлара Тиббитса. Тиббитс является содиректором школьной лаборатории самосборки, которая работает над разработкой способов организации материалов в объекты. Как подробно описано в статье Technology Review 2013 года, Тиббитс и его коллеги взяли новый гибкий материал, разработанный израильской компанией Stratasys, который увеличивается в объеме в 150 раз при помещении в воду, и объединили его со вторым, более жестким материалом.
Затем они использовали программное обеспечение, чтобы определить точное соотношение и оптимальную ориентацию для использования при объединении двух материалов, чтобы при попадании в воду они изгибались и принимали новую форму. Во время выступления на TED в 2013 году (см. ниже) Тиббитс представил четырехмерный процесс и создал сенсацию, погрузив нить материала в воду и показав, как она меняет форму на буквы MIT.
В отличие от двухкомпонентного процесса, разработанного Массачусетским технологическим институтом, гарвардская команда использует только один материал - составную гелевую краску с крошечными волокнами целлюлозы, компонентом клеточных стенок растений, распределенными внутри нее. После того, как материал распыляется принтером для формирования объекта, начинается настоящее веселье. Если вы еще этого не сделали, посмотрите видеоролик Гарварда в начале этой статьи, чтобы увидеть, как принтер создает форму цветка, который расширяется и меняется в воде.
Вдохновение от природы
Один из ведущих авторов исследования, аспирант Гарварда А. Сидней Гладман, объясняет по электронной почте, что новый процесс 4D-печати был вдохновлен природой и имитирует явление, называемое анизотропным набуханием, при котором некоторые части растение набухает больше в одном направлении, чем в другом. Она приводит в пример сосновые шишки, которые остаются закрытыми, когда они находятся в гидратированном состоянии на дереве, но затем открываются, когда они высыхают на земле, чтобы рассеять семена. Некоторые цветы меняются в ответ на раздражители, хотя и это явление тоже.
«Мы имитируем именно этот механизм, встраивая те же фибриллы целлюлозы в составные чернила на основе гидрогеля», - говорит Гладман. «Во время печати эти фибриллы выравниваются, что приводит к тому, что напечатанные нити набухают больше в одном направлении, чем в другом».
Укладывая волокна целлюлозы под определенным углом, можно определить, как материал будет принимать сложные формы под воздействием воды. «Когда один угол равен 0 градусов, а другой - 90 градусов, вы получаете поведение изгиба», - говорит Глэдман. «Когда один угол составляет 45 градусов, а другой - [отрицательный] 45 градусов, вы получаете скручивание."
Несмотря на то, что необходимо проделать большую работу, чтобы превратить 4D-печать в практичную технологию, существует множество потенциальных применений, таких как умный текстиль, который может менять форму по мере необходимости (представьте себе самонастраивающийся принтер Марти МакФлая). одежду в «Назад в будущее 2») и софт-электронику. Глэдман говорит, что исследователи также изучают возможное использование 4D-печати для трансформируемой тканевой инженерии, при которой клетки будут распыляться на каркас для создания искусственных органов для трансплантации, которые могут расти или изменяться по мере необходимости. Когда-нибудь это может превратить многих из нас в оборотней.
Интересно
Часть финансирования исследований Гарварда поступила от Исследовательского бюро армии. В статье 2014 года в Georgetown Journal of International Affairs были представлены различные потенциальные военные варианты использования 4D-печати, в том числе солдатская униформа, которая могла менять свой цвет для камуфляжа или менялась для защиты от непогоды, и транспортные средства, которые могли изменяться в ответ на изменения. окружающая среда.