Technologia

Drukowanie w czwartym wymiarze

Numer 6/2018
VAlex / Shutterstock
Podczas gdy drukarki 3D stają się coraz dostępniejsze, w laboratoriach na całym świecie powstaje nowa generacja drukowanych obiektów. Czy druk 4D stanie się tak samo popularny jak jego poprzednik?
Inteligentny stop.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Inteligentny stop.
Schemat działania pionka szachowego-wydrukowanego na Rutgers University.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Schemat działania pionka szachowego-wydrukowanego na Rutgers University.

Po przyjrzeniu się z bliska stronie tekstu z domowej drukarki dostrzeglibyśmy, że litery nie tyle barwią papier, ile leżą na jego powierzchni. Teoretycznie więc, gdybyśmy zadrukowali tę samą stronę kilka tysięcy razy, na jej powierzchni zebrałaby się wystarczająca ilość warstw tuszu, aby stworzyć solidny model 3D każdej litery. Pomysł stworzenia fizycznej formy z serii cienkich warstw jest podstawą działania pierwszych drukarek 3D. Dzisiejsze urządzenia tego typu mogą zrobić praktycznie wszystko, od kubków ceramicznych po plastikowe zabawki, metalowe części maszyn, fantazyjne czekoladowe ciasta, a nawet gotowe do zamieszkania domy. Wystarczy zaprojektować obiekt na zwykłym komputerze podłączonym do drukarki 3D i nacisnąć „drukuj”, a program zamieni cały obiekt na tysiące cienkich warstw i odtworzy go od dołu do góry warstwa po warstwie. Jak sama nazwa wskazuje, drukowanie w 4D działa na tej samej zasadzie, ale zyskuje dodatkowy wymiar: czas. Podczas gdy obiekty 3D pozostają statyczne po wyjściu z maszyny, te w 4D zmieniają geometrię w ciągu kilku sekund po poddaniu ich działaniu zewnętrznego bodźca (światło, woda, ciśnienie, ciepło lub elektryczna stymulacja).

Jak ożywić materię?

Wszystko zaczęło się w 2011 r., gdy młody architekt i informatyk z Massachusetts Institute of Technology (MIT) Skylar Tibbits skupił się wraz ze swoim zespołem na badaniu inteligentnych materiałów, takich jak stopy z pamięcią kształtu. Przykładem takiego surowca jest nitinol, czyli połączenie tytanu i niklu. Materiał ten jest znany z tego, że można go dowolnie odkształcać, mimo to po ogrzaniu wraca do pierwotnej formy (patrz ramka). Zespół chciał jednak pójść krok dalej i stworzyć materiały reagujące na innego rodzaju bodźce. W ten sposób właśnie narodziła się idea drukowania w 4D, a niedługo później ekipa mogła już zaprezentować przedmioty wykonane z różnych materiałów, które w sposób kontrolowany zmieniają formę. Tak powstały skręcająca się po podświetleniu płyta z włókna węglowego, wyginająca się po zanurzeniu w wodzie tacka z włókna celulozowego oraz rurka zrobiona z hybrydy polimeru i hydrożelu (patrz ramka na s. obok), która zgina się, tworząc litery alfabetu. W strukturach tych nie ma żadnych ukrytych obwodów elektronicznych, silników czy baterii. Tutaj materia spontanicznie wprawiana jest w ruch, jak swoiste żywe origami. Ale w jaki sposób?

Drukując dany obiekt, ekipa z MIT tworzy na nim obszary mniej lub bardziej czułe na odpowiedni bodziec zewnętrzny, podczas gdy pozostałe części przedmiotu mu nie ulegają. Tak więc w rurkach niektóre miejsca rozszerzają się po kontakcie z wodą, podczas gdy inne pozostają nietknięte. Powoduje to powstanie lokalnego ruchu, odpowiadającego za deformację całego obiektu. Ot, cały sekret! Wyniki te zaprezentowano w 2013 r. podczas jednej ze słynnych amerykańskich konferencji naukowych TED (Technology, Entertainment and Design). Zespół pokazał wtedy wspomnianą wyżej rurkę, która po wrzuceniu do wody przekształciła się w napis MIT. Zachwyceni prezentacją przedstawiciele różnych firm skontaktowali się z naukowcami w celu nawiązania współpracy. Jedna z nich – Geosyntec – pracuje obecnie nad rurami kanalizacyjnymi, które mogą dostosowywać średnicę do ilości przepływającej przez nie wody.

Badaniami zainteresowały się także instytucje naukowe, które stworzyły własne przedmioty 4D. Na przykład grupa z University of Colorado przedstawiła w 2014 r. pudełko zrobione z elastomeru wzmocnionego włóknami polimerowymi, które składa się i rozkłada pod wpływem rozciągania i zmian temperatury (tzw. programowanie termomechaniczne). Z kolei ekipa z Singapore University of Technology and Design wydrukowała w 2016 r. sterowane zmianami temperatury polimerowe szczypce, które chwytają i puszczają metalową śrubkę.

Sztuczna orchidea i organy z drukarki

Tymczasem zachwyceni sposobem, w jaki kwiaty potrafią zwijać i rozwijać swoje płatki, naukowcy z Harvard University przedstawili w tym samym roku sztuczną orchideę. Po zanurzeniu w wodzie początkowo płaski kwiat zaczyna zwijać i skręcać swoje płatki (co można podziwiać tutaj www.youtube.com/watch?v=mt5v_9mAZa8). Do jego produkcji wykorzystano włókna celulozy zmieszane z hydrożelem. Podczas drukowania włókna ustawiają się w żelu w sposób uporządkowany, co umożliwia kontrolę sposobu, w jaki obiekt pęcznieje w wodzie. Dlatego gotowy przedmiot powiększa tylko swoją długość, a nie szerokość. Oczywiście to nie wystarczy, aby sztuczna orchidea zachowywała się jak ta prawdziwa. Korzystając jednak z modeli matematycznych, zespół jest w stanie tworzyć zakrzywione kształty o odpowiednio skrzyżowanych włóknach, dzięki czemu mogą one poruszać się w ściśle zaplanowany sposób. Naukowcy twierdzą, że metoda ta mogłaby być powielona z wykorzystaniem kultur tkankowych i – co za tym idzie – ułatwiłaby drukowanie uszkodzonych lub chorych organów. Obecnie większość kultur tkankowych powstaje jako struktury dwuwymiarowe, podczas gdy potrzebne są obiekty 3D. Dzięki technice drukowania w 4D tkanka mogłaby zostać wyprodukowana w postaci płaskiego obiektu, który po prostu przeobraziłby się w wymagany kształt po zaaplikowaniu odpowiedniego bodźca.

Skurczony król i nowoczesne leki

Jednym z najnowszych obiektów, jakie zostały stworzone dzięki technice drukowania 4D, jest król szachowy, który potrafi zmieniać rozmiar. Pionek powstał na Rutgers University na początku roku i jest wykonany z hydrożelu. Mimo że składa się w 73% z wody, to zachowuje stały kształt. Poprzez stopniowe zwiększanie temperatury król odwadnia się i kurczy. Proces jest odwracalny i po obniżeniu temperatury pionek ponownie pochłania wodę i wraca do pierwotnych rozmiarów (co można zobaczyć tutaj www.youtube.com/watch? time_continue=21&v=JkjT6bYYwO8). Naukowcy są przekonani, że ich prace przyczynią się do powstania kapsuł o ściśle kontrolowanym uwalnianiu leków, co znacznie poprawiłoby komfort życia wielu pacjentów. Inną możliwością wykorzystania tej techniki jest produkcja różnego rodzaju implantów. Wprowadzenie ich do ciała w skurczonej postaci zmniejszyłoby skalę interwencji chirurgicznych. Na miejscu, pod wpływem temperatury ludzkiego ciała, implant osiągnąłby zaprogramowany rozmiar.

Tymczasem już dzisiaj dzięki technice drukowania 4D powstają implanty i urządzenia medyczne ratujące życie i poprawiające jego komfort. W 2014 r. inżynierowie z Laser Zentrum Hannover stworzyli metalowe implanty ślimakowe, które pod wypływem ciepła dopasowują się do kształtu ucha pacjenta. Z kolei na University of Michigan w 2012 r. opracowano szyny podtrzymujące wiotką tchawicę małych pacjentów chorych na tracheomalację. Ta dysfunkcja dróg oddechowych występuje u jednego na 2100 niemowląt. Dotychczasowe leczenie obejmowało skomplikowane operacje i stałą wentylację pacjenta. Urządzenie 4D zostało skonstruowane tak, by rosło razem z dzieckiem, a jego kształt dał się indywidualnie dopasować. Co więcej, po kilku latach szyny ulegają biodegradacji i są naturalnie wydalane z ciała.

Od szyszki po inteligentny dom

Przy konstruowaniu obiektów 4D naukowcy czerpią całymi garściami z rozwiązań występujących w naturze. Przyroda bowiem rozwinęła wielką różnorodność dynamicznych systemów współdziałających z warunkami zewnętrznymi. Szczególnie interesujący jest ruch związany z poziomem wilgoci, który występuje w szyszkach świerkowych czy jodłowych. Szyszki zamykają się, gdy jest mokro, i otwierają, gdy na dworze jest sucho. W przeciwieństwie do innych ruchów roślin, będących pochodną zmian ciśnienia komórkowego, ten odbywa się poprzez pasywną reakcję na zmiany wilgotności. Dlatego nie wymaga receptorów ani żadnej struktury motorycznej. Jest niezależny od wszelkich funkcji metabolicznych, a więc nie zużywa energii. W tym przypadku zdolność reagowania wynika z higroskopijnych właściwości materiału. Podczas wiązania wody zmienia się odległość między mikrofibrylami w tkance elementu reagującego łuski. Powoduje to zmianę jego kształtu, a co za tym idzie – otwieranie i zamykanie łusek. Zainspirowani tym mechanizmem naukowcy z Universität Stuttgart wydrukowali w 2013 r. drewniany pawilon, którego okna otwierają się i zamykają w zależności od panującej na dworze pogody. Ich wewnętrzna struktura jest wierną repliką mikrofibryli występujących w łuskach szyszki. Okna reagują na zmiany wilgotności względnej w zakresie od 30% (słoneczny dzień) do 90% (deszczowa pogoda). Pawilon więc – w bezpośrednim sprzężeniu z lokalnym mikroklimatem – stale dostosowuje swój stopień otwartości, modulując przepuszczanie światła, wentylację i temperaturę (co można podziwiać tutaj www.youtube.com/watch?v=6jw3ssEAd0k). Być może rozwiązania takie jak to zostaną w przyszłości wykorzystane do budowy ekologicznych i energooszczędnych domów.

Przyszłość w 4D

Tymczasem przedstawiciele sektora motoryzacyjnego mają nadzieję, że wysiłki włożone w rozwój techniki drukowania 4D przyczynią się do stworzenia powłoki samochodowej, która reagując na wilgotne środowisko lub obecność soli na drodze, chroniłaby auto przed korozją. Sektor lotniczy myśli o konstrukcji skrzydeł, które mogłyby zmieniać kształt w zależności od warunków lotu, ulepszając tym samym aerodynamikę maszyn. Z kolei wojsko amerykańskie marzy o nowoczesnym mundurze, który dostosowywałby się do warunków pogodowych, otoczenia – by lepiej kamuflować żołnierza – lub nawet uratowałby mu życie. I tak mogłyby powstać wodoodporne i zatrzymujące ciepło w zimie buty, które oddychałyby i chłodziły w tropikach, lub czułe na krew ubrania, które zaciskałyby się na ranie, zapobiegając wykrwawieniu się żołnierza.

Kolejnym sektorem, gdzie 4D może znaleźć zastosowanie, jest branża spożywcza. Naukowcy z MIT stworzyli w zeszłym roku makaron zmieniający kształt po kontakcie z gorącą wodą. Aby uzyskać ten efekt, ekipa użyła płaskich kawałków żelatyny, na której wydrukowała cienkie paski z jadalnej celulozy. Powstała nie tylko cała gama kształtów, ale naukowcy zadbali też o różnorodność kolorów i smaków. Stworzyli nawet makaron przezroczysty oraz rozpadający się na mniejsze kawałki po ugotowaniu. Całość wygląda bardzo efektownie i apetycznie (co można zobaczyć tutaj: www.youtube.com/watch? v=Z_3uRG3DWC8). Jednym z głównych powodów zaangażowania zespołu w ten projekt była chęć zaoszczędzenia miejsca w opakowaniach na makaron. Badacze obliczyli bowiem, że obecnie w pudełkach i torebkach z tym produktem 67% przestrzeni zajmuje powietrze! W najbliższym czasie naukowcy z MIT spróbują swoich sił w drukowaniu mebli, których składanie nie wymagałoby żadnych śrubek i narzędzi. Biorąc pod uwagę poprzednie sukcesy ekipy, na pewno im się to uda. Być może niedługo meble te będą dostarczane do naszych domów w cienkich paczkach z krótką instrukcją obsługi: WYSTARCZY PODLAĆ.

Justyna Jońca
Institut National Polytechnique de Toulouse, Francja
Zajmuje się opracowywaniem nowych nanomateriałów

***

Inteligentny stop

Nitinol ma zdolność „zapamiętania” formy nadanej mu podczas pierwotnej obróbki termomechanicznej. Stop ten może istnieć w dwóch fazach krystalograficznych, różniących się sposobem ułożenia atomów niklu i tytanu w przestrzeni. Martenzyt istnieje w niższych temperaturach i jest bardzo plastyczny. Dlatego w temperaturze pokojowej można mu nadać dowolny kształt. Jednak po lekkim ogrzaniu stopu następuje przeorganizowanie jego struktury na poziomie atomowym, tj. martenzyt przechodzi w austenit, „przypomina” sobie kształt sprzed deformacji i do niego wraca w ciągu kilku sekund od podgrzania. Proces wygląda dość spektakularnie i może zostać odtworzony w warunkach domowych. Wystarczy powyginać prosty drut z nitinolu, a następnie wrzucić go do ciepłej wody lub podgrzać za pomocą zapalniczki.

***

Galaretka do zadań specjalnych

Hydrożel to nic innego jak żel, w którym fazą rozproszoną jest woda. Jako substancję żelującą stosuje się rozmaite polimery. Przykładem hydrożelu jest galaretka z żelatyny. Poza tym hydrożeli używa się do produkcji leków, mydeł i kosmetyków. Tworzy się z nich soczewki kontaktowe, implanty piersi czy membrany do sztucznych nerek. Służą także do unieruchamiania komórek w badaniach laboratoryjnych lub jako pożywka w koloniach komórkowych.

01.06.2018 Numer 6/2018

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną