Інженери навчилися формувати двовимірні листи гідрогелю таким чином, щоб під час стискання вони могли утворювати об’ємні форми. Техніка дасть змогу друкувати пласкі шари гідрогелю, які заздалегідь можна «запрограмувати» зростати у необхідну тривимірну форму та використовувати, наприклад, у м’якій робототехніці. Так вченим вдалося створити форму автомобіля, мушлі й людського обличчя за допомогою цифрового світлового 4D-принтера. Результати роботи опубліковані у журналі Nature Communications.
UT Arlington
Чому б одразу не надрукувати у 3D?
У природі є безліч прикладів того, як з пласкої конструкції живим організмам вдається набувати різноманітних форм та рухів завдяки розширенню або стисненню — просторово контрольоване зростання. Це і квіти, листя рослин, і епітелій органів, і, наприклад, морські безхребетні. Надихнувшись цим, вчені прагнуть навчитися імітувати розширення і скорочення м'яких тканин, як це зустрічається у природі, але з синтетичних матеріалів, щоб створювати м’яких роботів, розумні тканини та краще наслідувати природні системи.
Що виростили інженери?
У своїй роботі вченим вдалося повторити форму морської мушлі, листя різних розмірів та модель реального автомобіля, який відсканували у 3D, щоб продемонструвати потенційне застосування технології для повторення реальних об'єктів. За словами інженерів, надруковані конструкції майже не відрізнялися від заданих під час моделювання параметрів. Також технологія дає змогу створювати тривимірні форми з різних матеріалів — надрукованого ската вдалося навіть зробити різнокольоровим, додавши під час виробництва наночастинки золота. Щоб продемонструвати здатність гідрогелю зростати у дійсно довільні тривимірні форми, вчені відтворили справжнє людське обличчя — 3D-модель свого колеги.
На відміну від традиційного адитивного виробництва, яке послідовно створює тривимірні структури за допомогою пошарового осадження матеріалів, цей метод одночасно друкує кілька двомірних матеріалів з індивідуально налаштованим дизайном, без необхідності використання підтримуючих конструкцій протягом 3 хвилин.
Як надрукувати 3D-мушлю з гідрогелю?
Щоб змусити двомірний гідрогель вирости у тривимірну фігуру, на визначених точках його поверхні вчені збільшували або зменшували кількість матеріалу, що під час набухання і стискання гідрогелю викликало необхідні вигини. Так інженери вирахували коефіцієнт зростання речовини, що дасть змогу створювати будь-які форми, враховуючи особливості руху конструкції під час висихання. Фактор зміни форми вираховували за допомогою стандартних тривимірних конструкцій з відомими осесиметричними метриками: сферичної кришки, сідла та конуса. Експериментально реалізувати свої розрахунки інженерам вдалося за допомогою цифрового світлового 4D-друку (digital light 4D printing, DL4P) — технології для друку предметів, що змінюють свої характеристики, де четвертою «D» називають не вимір, а параметр зміни форми або функції об'єкта. DL4P кодує двовимірні шари гідрогелю вже з фактором зміни форми і, контролюючи фотополімеризацію, забезпечує локальну щільність полімерних сіток гідрогелю, контролюючи ступінь набухання та усадки, що дає змогу програмувати майбутню форму.
Отримані форми, визначені функцією висоти (a), морська раковина (b), листя (c) та автомобіль(d). Nature Communications, 2020