Druk 4D - co to jest i jak to wygląda

Od kilku już lat jesteśmy świadkami dynamicznego rozwoju technologii druku 3D. Podziwiamy również owoce spłodzone właśnie dzięki niej. Technika ta ma ogromny potencjał i może zrewolucjonizować całą mechanikę, medycynę, eksplorację kosmosu i wiele innych dziedzin. I choć zdaje się, że wciąż znajdujemy się na początku tej drogi, naukowcy już zastanawiają się co będzie dalej. A co będzie? Cóż, druk 4D, naturalnie.

Druk 4D, czyli… co?

Druku dwuwymiarowego i trójwymiarowego nie trzeba już chyba nikomu tłumaczyć – w pierwszym przypadku mamy do czynienia z płaskim obrazem, w drugim: ze strukturą przestrzenną. Jak można więc wyjść poza te granice, a mówiąc inaczej: czym więc jest technika druku 4D?

W druku 4D czwartym wymiarem jest czas. Efektem działania drukarki nie jest konkretny przedmiot, lecz pasma materiałów, które z czasem właśnie formują się w taki sposób, by przekształcić się w określony wcześniej obiekt (kształt). 

Cytując New Scienctis: „technika druku 4D polega na drukowaniu obiektów w 3D, które następnie zmieniają z czasem swój kształt i mogą poruszać się w sposób imitujący naturalne procesy”. Zastosowania? Wspomnieć należy przede wszystkim o trzech dziedzinach: budownictwo, medycyna oraz eksploracja kosmosu.

Jak to działa?

Wszystkie elementy potrzebne do wykonania końcowego obiektu tworzone są za pomocą drukarki 3D. Przedmioty projektowane są w taki sposób, by zmieścić jak najwięcej elementów na jak najmniejszej przestrzeni. W tym celu naukowcy wykorzystują swoją wiedzę, między innymi krzywą Hilberta. Dzięki temu bowiem da się stworzyć duży obiekt na małej drukarce, a to właśnie jest jedna z największych zalet tej techniki.

Wydrukowane obiekty pośrednie mają zaznaczone wszystkie zagięcia – po wystawieniu na działanie wody, elementy ruchome zginają się i skręcają, aby utworzyć końcową konstrukcję. 

Inna wizja druku 4D

Jennifer Lewis z Uniwersytetu Harvarda chce uprościć ten proces. – „Postanowiliśmy wziąć przykład z natury i przyjrzeliśmy się złożonym modyfikacjom kształtów w naturalnych architekturach, takich jak kwiaty”.

Zespół z Lewis na czele spróbował naśladować charakterystykę komórek roślinnych, które zawierają włókna celulozowe regulujące zakres ich ruchu. Naukowcy wymieszali takie włókna (z miazgi drzewnej) z akrylamidowym hydrożelem – galaretowatą substancją rozszerzającą się w wodzie. W efekcie obiekt wydrukowany za pomocą drukarki 3D z dodatkiem tej mieszanki może tylko się wydłużać, ale nie rozrastać się na boki.

Ekipa naukowców opracowała również model matematyczny, dzięki któremu możliwe jest drukowanie obiektów z różnego typu zagięciami, a nawet krągłościami. – „Możemy zaprogramować zginanie, skręcanie, marszczenie” – mówi Lewis.

Kwiaty z drukarki

Aby przetestować swoją technikę zespół naukowców wydrukował dwa kwiaty, które na pozór wyglądają tak samo, ale pod wpływem wody rozwijają się w różny sposób. Spróbowali jak najwierniej odtworzyć specyfikę orchidei. Wyniki – jak najbardziej zadowalające. 

Zresztą zobaczcie sami na filmiku opublikowanym na kanale Uniwersytetu Harvarda w serwisie YouTube:

Co dalej?

Trudno na razie przewidzieć, w jakim konkretnie kierunku zmierzać będzie rozwój techniki 4D. Można jednak przyjąć za pewnik, że ten rozwój będzie się dokonywał. Wiemy natomiast jakie plany ma zespół naukowców z Unwiersytetu Harvarda.

Ekipa chciałaby wykorzystać swoją technologię w inżynierii tkankowej. Próba polegać będzie na uzupełnieniu takiej struktury żywymi komórkami i w efekcie wyhodowanie nowych organów. Jeśli to się uda, możemy być świadkami kolejnej rewolucji w medycynie, tym razem w transplantologii. Pozostaje chyba już zatem tylko trzymać kciuki.

Źródło: NewScientist, Harvard University, SJET, TED, Self-Assembly Lab, Discovery News