Ученые создали 4D-печатную катапульту, которая позволяет резко выстреливать объекты

4D-печать предполагает "программирование" реакции напечатанных объектов на изменение различных внешних факторов, таких как электрическое поле, тепло или свет, придавая им динамические свойства. В настоящее время технологии 4D-печати не могут производить быстрые движения, что ограничивает их применение, требующее быстрой трансформации формы, например, быстрое раскрытие и развертывание аэрокосмического оборудования.

Чтобы решить эту проблему и ускорить время трансформации 4D-объектов группа ученых из Цзилиньского университета (Китай), Северо-Западного университета (США) и Манчестерского университета (Великобритания) решила использовать объекты, состоящие из двух печатных компонентов. Первый предназначен для обеспечения необходимой скорости движения детали, а второй инициирует и поддерживает движение.

По словам ученых, на идею подобных объектов их вдохновил механизм рассеивания семян одного из видов фиалок под названием Viola verecunda (Фиалка скромная). Когда плоды этого цветка созревают, внутренняя поверхность стручка, содержащего семена, теряет воду, что приводит к механическому напряжению внутреннего слоя стручка. Из-за разности напряжений в разных областях создается сила, выталкивающая семена из плода. Вылетая из стручка, семена достигают скорости в несколько десятков метров в секунду и ускорения, примерно в 30 000 раз превышающего силу тяжести.

"Biomimetic 4D Printing Catapult: From Biological Prototype to Practical Implementation"
Изображения, полученные с помощью высокоскоростной камеры: (a) эксперимент по запуску c нагревом на водяной бане, (b) эксперимент по запуску с инфракрасным нагревом, (c) эксперимент по запуску с электрическим триггером на образце с одним снарядом и (d) эксперимент по запуску с электрическим триггером на образце с несколькими снарядами. Перспективы применения запуска со спутника (e) и выброса космического мусора космической станцией (f). Схема эксперимента по запуску со спутника (g). Невыброшенное состояние (g1), выброшенный маленький спутник (g2), выброшенная сеть-ловушка (g3) и выброшенная пуля (g4).

В рамках своей работы ученые создали биомиметическую "умную" катапульту путем программирования пространственного распределения гетерогенных материалов с различным модулем упругости с помощью аддитивного производства. Как отмечается в исследовании: "Эта катапульта может достичь высокоскоростного выталкивания при логически обоснованном воздействии внешней силы, температуры, света, влажности или электричества. Предложенная биомиметическая стратегия 4D-печати преодолела ограничения в скорости движения, что помогает полностью раскрыть потенциал 4D-печати".

Катапульта состоит из двух частей, изготовленных из поликарбоната и полиуретана соответственно. При повышении температуры эти две части сжимаются с разной скоростью, и, подобно стручку фиалки, внутри устройства возникает напряжение, накапливая силу, которая в конечном итоге запускает 3D-печатный снаряд.

Исследователям не удалось достичь скорости семян фиалки, выстреливаемых из стручков, но, тем не менее, она была достаточно высокой по стандартам 4D-печати, достигая нескольких метров в секунду.

В качестве одного из применений этой 4D-печатной катапульты ученые рассматривают идею одновременного запуска нескольких спутников. Для ее проверки команда напечатала крошечные модели спутников и поместила их в копии катапульты. Спутники успешно запустились с интервалом в несколько секунд, не мешая друг другу.