Технологии 3D-печати уже позволяют расширить возможности дизайна и производства, включая электронику, комплектующие из сплавов металлов и даже живые клетки. Однако, по большей части, напечатанные на 3D-принтере элементы задумываются, конструируются и производятся с одной конкретной целью.
Следующая революция в аддитивном производстве – это напечатанные на 3D-принтере объекты, которые могут при необходимости адаптироваться и выполнять несколько разных функций даже после изготовления. Это становится возможным благодаря добавлению «четвертого измерения» - времени - и за счет использования внешних стимулов, таких как свет, тепло, вибрации или магнитные поля. Под воздействием стимулов напечатанные на 3D-принтере объекты могут самостоятельно собираться, изменять форму и адаптироваться к конкретным требованиям в секторах производства, упаковки, робототехники и биомедицины. Как говорит Скайлар Тиббитс, один из первых и ведущих исследователей 4D-печати: «Представьте себе поведение, свойственное роботам, но без сложных электромеханических устройств!»
В недавнем исследовании, которым руководили Анна Балаш, профессор химической и бензиновой инженерии в Питтсбургском университете, и Ольга Куксенок, профессор материаловедения и инженерных наук в Клемсонском университете, ученым удалось разработать метод компьютерного моделирования, который позволяет сочетать термореактивный полимерный гель и светочувствительные волокна. Полученный в результате «гибридный» материал обладает высокой прочностью и отличной способностью к трансформации – он не только может несколько раз изменяться, принимая разные формы, но и по-разному ведет себя в зависимости от использованных стимулов.
В частности, Балаш и Куксенок обнаружили, что, будучи закрепленным на поверхности, композитный материал под воздействием света гнется в одну сторону, а под воздействием тепла – в другую. Отсоединив материал от поверхности, ученые увидели, что он «сжимается гармошкой при нагревании и сворачивается, как гусеница, при освещении». Это означает, что количество функций, которые может выполнять один объект, соответствует количеству форм, которые он способен принимать – причем поведение материала можно запрограммировать и предсказать.
«В 4D-печати четвертым измерением является время – именно оно характеризует структуру материала. Иными словами, такие материалы способны менять форму уже после изготовления. Благодаря этому не нужно создавать новые детали для выполнения новых функций – таким образом, появляется возможность значительно сократить издержки, – объясняет Балаш. – Трудность, с которой сталкиваются исследователи – это необходимость разработать гибкий и прочный материал, который по-разному ведет себя под воздействием различных стимулов».
Возможность «программировать» материал удалось получить за счет внедрения светочувствительных волокон, покрытых хромофорами спиробензопирана, в гель, чувствительный к изменениям температуры. Исследователи также отметили, что благодаря сосредоточению спиробензопирана именно на волокнах материал имеет «скрытые» свойства, которые проявляются только при воздействии света. Эти биомиметические движения могут оказаться чрезвычайно полезными, например, в создании мягких роботов для изготовления суставов, которые будут сгибаться и разгибаться в зависимости от освещения.
поделиться статьей с друзьями
добавить сообщение