4D-печать: новые материалы, меняющие характеристики и форму
Обычно под 4D подразумевают четырехмерное пространство, в котором существуют четырехмерные объекты — тессеракт, икоситетрахор (не имеет аналогов в трехмерном мире) и тому подобное. Несколько лет назад термин 4D стали использовать для обозначения особой технологии печати предметов, меняющих свои характеристики с течением времени. Таким образом, в 4D-печати «четвертым» называют не измерение, а параметр, с которым связано положение (возможно, что и функция) объекта.
Технологии 4D-принтера трудно назвать революционными по сравнению с обычной 3D-печатью — объект точно так же создаётся слой за слоем. Самое интересное происходит потом, когда готовый предмет начинает меняться. И здесь всё зависит от того, какой материал используется в принтере. Специальные материалы изменяются под воздействием воды, тепла, света, механического воздействия, а также могут быть запрограммированы на определенные действия.
Давайте посмотрим, зачем нужна 4D-печать и как выглядит мир, построенный на основе вещей, изменяющих свою форму и поведение.
Машины будущего
В прошлом году в BMW представили, как будут выглядеть автомобили будущего. В концепте не обошлось без использования 4D. По задумке инженеров, кузов автомобиля состоит из подвижных треугольных секций, распечатанных на 4D-принтере. Такие детали будут иметь интегрированную функциональность, которая сейчас достигается путем выпуска разных деталей и сборкой из них одного механизма.
Благодаря использованию специальных материалов, схожих по характеристикам с углеволокном, каждая секция с момента производства будет обладать запрограммированными функциями. Например, бОльшая часть покрытия станет обслуживать колесные ниши, созданные для лучшей аэродинамики. Во время поворота треугольные секции растягиваются, и шины не трутся об арки.
Наглядная демонстрация возможностей концепт-кара, созданного при помощи четырехмерной печати:
Изменение формы при контакте с водой
Команда ученых Гарвардского университета обратила внимание на растения, которые реагируют и изменяют свою форму в ответ на стимулы окружающей среды. Были разработаны гидрогелевые композитные структуры, меняющие форму при погружении в воду.
Объект в форме цветка орхидеи напечатали гидрогелевыми композитными чернилами, содержащими определённо направленные волокна целлюлозы. Чтобы придать древесным волокнам нужное направление, их смешали с акриламидным гидрогелем. При погружении в воду получившееся вещество изменяет свои геометрические размеры заранее определённым образом.
Композитные чернила позволяют получать изделия разной формы. Более того, можно менять состав материала для получения определённых свойств, например, электропроводности или биосовместимости.
Исследователи из лаборатории Self-Assembly Lab Массачусетского технологического института разработали 2D-шаблон, который при погружении в воду складывается в куб. Для печати Self-Assembly Lab используют принтер Stratasys Objet260 Connex1, позволяющий работать с использованием различных материалов (включая резиноподобные и полипропиленовые).
Лаборатория создала много разнообразных изделий, способных самостоятельно принимать нужную форму или самособираться. Они показали шнурки, которые сами себя зашнуруют и предметы мебели, которые самостоятельно раскладываются.
Космическая защита
С помощью 4D-печати инженеры НАСА создали металлическую ткань для защиты спутников от повреждений и радиации, а также для производства гибких антенн. Ткань представляет собой своеобразную «кольчугу», созданную из кусочков серебра и других металлов. Материал можно многократно сгибать, разгибать, растягивать и сжимать. Каждая сторона ткани обладает собственными свойствами, отражает или поглощает свет и тепло. Несмотря на гибкость, ткань крайне трудно разорвать. Планируется, что в защитный материал будут упаковывать спутники перед их выводом в космос, либо с его помощью станут экранировать скафандры и обитаемые модули.
Технологии для военных
Международный институт нанотехнологий Северо-Западного университета получил пятилетний грант от Министерства обороны США для разработки 4D-принтера. Четырехмерный принтер будет использоваться для исследований в области химии, материаловедения и в областях, связанных с обороной. Предполагается, что 4D-печать позволит создавать новые химические и биологические датчики, конструкции и материалы для микрочипов.
В настоящее время прогресс сдерживает отсутствие недорогого оборудования, способного выполнять печать со сверхвысоким разрешением (примерно в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса) из твердых материалов (металлах и полупроводниках) и мягких материалов (например, органических).
Четырехмерный принтер станет основой нового поколения инструментов для разработки архитектур, в которых материалы, формирующие функциональные компоненты электроники, могут быть объединены с биологическими объектами.
Память формы
Напечатанная на 4D-принтере модель из полимера восстанавливается после деформации.
Еще в 2013 году исследователи из Университета Колорадо разработали методику 4D-печати, включив полимерные волокна с «эффектом памяти формы» в композитные материалы, используемые в традиционной 3D-печати. В качестве примеров применения технологии назывались солнечные батареи, способные сворачиваться и разворачиваться для транспортировки, автомобильные покрытия, адаптирующиеся к среде, а также военная форма, меняющая тип камуфляжа или эффективнее защищающая от газа или осколков.
Спустя три года объединенная группа ученых из Сингапурского университета технологии и дизайна, MIT и Технологического института Джорджии разработала новый метод 4D-печати на основе воздействия светом на фоточувствительные материалы. Новая методика печати способна создавать элементы толщиной в человеческий волос.
В принтер заливали раствор фоточувствительного полимера и проецировали слой за слоем требуемый объект, обрабатывая материал ультрафиолетом. Для проверки, что полимер способен восстанавливаться после деформаций, исследователи напечатали мягкий манипулятор, который в свободном состоянии закрыт. С его помощью ученые смогли успешно захватывать небольшие предметы (например, винты).
Уже на данном этапе подобную технологию можно адаптировать для реального применения — к примеру, создать капсулы, высвобождающие вещества при повышении температуры тела.
Печать в медицине
Врачи из провинции Шэньси на северо-западе Китая провели успешную и редкую операцию на трахее с использованием технологии четырехмерной печати. Врачи вставили пациентке трубчатый трахеальный стент, чтобы сохранить открытыми дыхательные пути. Для производства стента использовался биоматериал поликапролактон, который со временем растворяется — биодеградация в теле человека происходит медленно, около 3 лет. Врачи заранее определили время растворения напечатанного стента, и пациенту не нужно будет проходить еще одну операцию по его удалению.
Схожий случай произошел в США. Гарретт Петерсон родился с пороком развития бронхов — бронхомаляцией, когда хрящи недостаточно твердые. Вентиляция бронх была нарушена, и ребенок всю свою жизнь провел в госпитале Университета штата Юта на искусственной вентиляции легких, поддерживающих жизнь.
Между тем, в Мичиганском университете разработали трехмерную печатную шину, которая со временем могла разрушаться внутри тела без всяких последствий, но при этом могла держать открытыми дыхательные пути в течение двух-трех лет — достаточно, чтобы восстановить бронхиальный хрящ.
После создания виртуальной модели принтер печатает слои поликапролактона в форме конкретной трахеи. Хотя процесс создания индивидуальных стентов может показаться трудным, он занимает всего один день.
Вполне вероятно, что 4D-биоматериалы рано или поздно выйдут далеко за рамки респираторных заболеваний. Уже изучается проблематика реконструкции лица и восстановления ушей.
* * *
В целом, большинство ученых, работающих в области четырехмерной печати, прогнозируют взрывной рост объектов и материалов четырёхмерной печати уже в ближайшие пять лет.
