Диваны, которые сами складывают, когда вы нагреваете их? Как 4D -печать может трансформировать производство

Представьте себе, что купите плоский лист в мебельном магазине, который превращается в диван, когда вы нагреваете его с феном. Или рассмотрите ценность стента, которое точно расширяется внутри артерии пациента, адаптируясь к их уникальной анатомии.

Добро пожаловать в 4D -печать, границу в области материалов и производственной науки, которая быстро расширялась за последнее десятилетие. В то время как 3D -печать привлекла глобальное внимание за его способность создавать слой объектов за слоем, 4D -печать добавляет элемент времени.

Он включает в себя адаптируемые объекты 3D-печати из таких материалов, как полимеры или сплавы, которые могут сгибаться, скручивать или трансформировать полностью, когда они вступают в контакт с теплом или влагой. Выходя за рамки суждений статических конструкций, он открывает замечательные возможности в таких областях, как медицина, аэрокосмическая промышленность, робототехника и строительство.

Недавно я был ведущим автором в комплексном отчете, опубликованном в журнале Умные материалы и конструкциисоставление достижений и задач в этой области. Мы обрисовали в общих чертах потенциал этой отрасли, предложив видение будущего, где интеллектуальные материалы переопределяют дизайн и производство.

Вот еще несколько основных полей, в которых 4D -печать может быть преобразующей:

1. Здравоохранение

Как и стент, который я упоминал ранее, 4D -печать повышает возможность создания имплантатов и протезирования, которые адаптируются к потребностям пациентов в режиме реального времени. Исследовательские группы, работающие над этими инновациями, включают проект Biomet4D, координируемый Институтом материалов IMDEA в Мадриде, который разрабатывает умные биоразлагаемые металлические имплантаты для людей с серьезно поврежденными или дефектными костями. Имплантаты могут изменить форму и расширяться по мере роста кости, поддерживая ее гораздо более эффективно, чем статический имплантат.

Другая область сосредоточенности — более умные способы дать пациентам лекарства. Например, команда исследователей, базирующихся в китайском университете Джилина, создала 4D-печать гидрогелевых капсул, внешняя структура, в организме пациента остается неповрежденной, до тех пор, пока не достигнет определенной температуры, например, когда есть инфекция, то есть препарат вступает в силу только тогда, когда вступает в силу, когда вступает в силу, когда вступает в силу, когда вступает в силу, когда вступает в силу, когда вступает в силу, когда вступает в силу, когда вступает в силу, когда вступает в силу. это требуется. Это может быть полезно в ситуациях, когда полезно выпустить лекарство в организм пациента в нужное время и место.

2. робототехника и носимые устройства

Интеграция 4D -материалов в робототехнику и носимые устройства позволяет им регулировать свою функциональность в ответ на окружающую среду. Например, исследователи из Института WYSS в Гарвардском университете разработали самореализующиеся роботизированные устройства на основе понимания оригами, которые изменяют форму при воздействии тепла. Одно потенциальное приложение может включать отправку этих устройств для выполнения задач в средах, которые трудно достичь, например, в глубоких морях или океанах.

Точно так же ученые из Университета Дикин в Австралии изучают роботизированные суставы с 4D-печатью с переменной жесткостью, которая может помочь при реабилитации. Например, рука может стать более жесткой, когда пользователь пытается что -то поднять, облегчая им его поднять.

3. Изучение космоса

В экстремальных условиях пространства адаптивность имеет решающее значение, поэтому опять же есть роль для материалов с 4D-печатью. Например, лаборатория реактивного движения НАСА использует 4D-печать металлических космических тканей.

Они могут складываться, изменять форму и адаптироваться к различной тепловой и механической среде. Это делает их подходящими для широкого спектра космических применений, включая защиту космических кораблей от метеоритов, изолирующие от экстремальных температур и соответствует неравномерной местности на самой маленькой луне Юпитера, Ледяной Европе.

Проблемы и возможности

Текущие возможности 4D -печати не являются замечательными, но область все еще сталкивается с значительными проблемами. Несмотря на то, что теперь мы можем создавать материалы, которые трансформируются с точностью, есть еще больше исследований, чтобы гарантировать, что они биологически безопасны и долговечны в долгосрочной перспективе.

Кроме того, масштабирование производства для удовлетворения промышленных требований, особенно для конструкций с высоким разрешением или наноразмерных структур, требует не только новых методов, но и новых способов размышлений о производстве. Стоимость — это еще один барьер — специальные материалы и процессы часто могут оказаться слишком дорогими в настоящее время для широкого использования.

И все же обещание 4D печати дразнит. Одна из больших достопримечательностей — устойчивость. От водных труб, которые корректируют скорости потока до зданий, которые саморегулируют уровни углекислого газа, 4D-печать создает потенциал для адаптивных систем, которые помогают в этой области. Основным примером являются солнечные батареи, разработанные Институтом вычислительного проектирования и строительства Университета Штутгарта.

Вдохновленные тем, что сосновые конусы открываются в ответ на солнечный свет, ворота состоит из серии 4D-печать целлюлозных лоскутов, которые могут быть установлены в здания, чтобы открыть и близко в ответ на определенные уровни влажности и температуры. Они свернулись вверх зимой, чтобы дать тепло, и летом сглаживаются, чтобы заблокировать прямой солнечный свет. Это демонстрирует, как здание может быть сделано более энергоэффективным, не полагаясь на внешний источник мощности, скажем, кондиционер.

Между тем, искусственный интеллект уже ускоряет прогресс, оптимизируя дизайн и поведение объектов с 4D-печатью. Это помогает исследователям иметь более точный контроль над тем, как эти умные материалы реагируют в разных условиях, без необходимости полагаться на пробные и ошибки.

Это все еще молодая отрасль, с ограниченными венчурными инвестициями и рабочей силой, которая только начинает обретать форму. Но поскольку все больше научно -исследовательских учреждений и компаний признают свой потенциал, темпы инноваций должны быстро ускорить. Согласно одному отчету, сектор должен вырабатывать около 35% в год в течение следующих пяти лет.

В настоящее время мы разрабатываем структуры, которые восстанавливают или изменяют свою форму по требованию в 4D -материалах и лаборатории печати в Университете Ноттингем Трент и обществом 4D -печати. Например, мы уже имеем 4D-печать медицинских стентов, которые могут самостоятельно выдвинуть в ответ на температуру тела (см. Изображения ниже).

Мы также разрабатываем материалы для лодочных крыльев и автомобильных бамперов, чья форма может быть восстановлена ​​путем добавления тепла, как способ удаления вмятин, а также адаптивные шины для сломанных костей, а также для самостоятельной, очень удобной мебели.

Итак, в следующий раз, когда вы удивляетесь возможностям 3D -печати, помните: будущее лежит в 4D -печати, где материалы оживают и переопределяют возможности завтрашнего дня.

Эта статья переиздана из разговора по лицензии Creative Commons. Прочитайте оригинальную статью.