В наши дни 3D-печать, по-видимому, лежит в основе большинства новых новых исследовательских проектов, будь то разработка способов печати всей еды или воссоздание черт лица для восстановления лица пациента.
Но Скайлар Тиббитс хочет поднять ставку: он надеется, что 4D-печать станет достоянием не столь отдаленного будущего.
Тиббитс признается, что название его концепции поначалу было немного легкомысленным. В Массачусетском технологическом институте Tibbits и исследователи из фирм Stratasys и Autodesk Inc пытались придумать способ описания объектов, которые они создавали на 3D-принтерах, - объектов, которые можно было не только печатать, но благодаря геометрическому коду, позже может изменить форму и трансформироваться самостоятельно.
Название застряло, и теперь процесс, который они разработали - который превращает код в «умные объекты», которые могут самостоятельно собираться или изменять форму при столкновении с изменениями в его среде - вполне может появиться в ряде отраслей, от строительства до спортивная одежда.
«Обычно мы печатаем вещи и думаем, что они сделаны», - говорит Тиббитс. «Это окончательный результат, а затем мы их собираем. Но мы хотим, чтобы они могли со временем трансформироваться и менять форму. И мы хотим, чтобы они собрались сами ».
Тиббитс, исследователь из Массачусетского технологического института, получил разрешение в прошлом году на создание так называемой лаборатории самосборки университета. Задача состояла в том, чтобы увидеть, как умные исследователи могут создать объект, не полагаясь на датчики или микросхемы; Как легко они могли сделать что-то без проводов или двигателей.
К счастью, когда Тиббитс поделился этой дилеммой со знакомыми в Stratasys, ведущей фирме по 3D-печати, они сказали ему, что компания разработала типографский материал, который увеличивается на 150 процентов при помещении в воду. Это звучало многообещающе. Но реальный вопрос заключался в том, как обеспечить точность этого преобразования, чтобы объект мог разворачиваться, изгибаться и образовывать определенные углы, а не просто вздыматься, как раздутая губка.
Ответ тиббитов: геометрия.
С 3D-принтером оператор подключает виртуальный проект для объекта, который принтер использует для создания конечного продукта слой за слоем. Чтобы сделать что-то «4D», Tibbits передает принтеру точный геометрический код, основанный на собственных углах и размерах объекта, а также на измерениях, которые определяют, как он должен менять форму при столкновении с внешними силами, такими как вода, движение или изменение температуры.,
Вкратце, код задает направление, количество раз и углы, при которых материал может изгибаться и скручиваться. Когда этот объект сталкивается с изменением окружающей среды, его можно стимулировать к изменению формы. Трубы, например, могут быть запрограммированы для расширения или сжатия, чтобы помочь перемещать воду; кирпичи могут сдвигаться, чтобы выдержать большее или меньшее напряжение на данной стене.
Тиббитс продемонстрировал концепцию 4D-печати на выступлении TED в прошлом году, в ходе которого он показал, как можно запрограммировать одну прядь печатного материала, чтобы самому сложить слово «MIT».
(Смотрите видео этой демонстрации ниже)
Формы грядущих
На первый взгляд, это очень крутая концепция. Но когда мы можем ожидать увидеть подобные трансформации в реальном мире?
В некоторых случаях они уже происходят. Тиббитс указывает, что в нанотехнологиях ученые смогли программировать физические и биологические материалы для изменения их форм и свойств, таких как использование ДНК для самостоятельной сборки нанороботов.
Он признает, что добиться этого в человеческом масштабе гораздо сложнее, особенно в более традиционных отраслях, таких как строительство. Но Тиббитс говорит, что по крайней мере одна компания заинтересована в том, чтобы увидеть, как 4D-программирование может быть применено к инфраструктуре. По его словам, есть потенциал в использовании самосборных материалов в зонах бедствий или в экстремальных условиях, где обычное строительство невозможно или слишком дорого. Например, он видит будущее для того, что он называет «адаптивной инфраструктурой» в космосе.
Тиббитс говорит, что его лаборатория тесно сотрудничает с рядом отраслевых партнеров, чтобы они могли внедрить концепцию 4D в свой бизнес. Что касается того, где мы могли бы увидеть трансформирующиеся продукты на полках, Tibbits представляет инновации в области мебели или спортивной одежды. Он предлагает пример кроссовок, которые могут изменить форму и функции в зависимости от того, как они используются.
«Если я начну бегать, - сказал он, - [кроссовки] должны адаптироваться к кроссовкам. Если я играю в баскетбол, они больше приспосабливаются к моим лодыжкам. Если я иду по траве, они должны отрастить бутсы или стать водонепроницаемыми, если это дождь. Не то, чтобы ботинок понимал, что вы играете в баскетбол, конечно, но он может сказать, какую энергию или какие силы прикладывает ваша нога. Она может трансформироваться в зависимости от давления. Или это может быть изменение влажности или температуры. «
Многомерное мышление
Вот некоторые другие недавние разработки в 3D и 4D печати:
- Армейские маневры: Армия США предоставила грант Гарвардскому университету, Университету Питтсбурга и Иллинойсскому университету, чтобы изучить, как военные могут использовать самосборные объекты, повышая вероятность появления укрытий или мостов, которые могут прийти в форму.
- Только не говорите никому, что ваша косметика пришла прямо из принтера: студентка Гарварда Грейс Чой создала прототип для 3D-принтера под названием «Норка», который предназначен для того, чтобы пользователи могли выбирать любой цвет, который только можно себе представить, а затем фактически распечатывать макияж с таким оттенком.
- Все за рабочий день: в Китае инжиниринговая компания использовала 3D-принтеры для строительства 10 одноэтажных домов в день. Принтеры шириной 33 фута и высотой 22 фута использовали смесь цемента и строительного мусора, чтобы строить стены слой за слоем.
А чтобы узнать больше о возможностях 4D печати, посмотрите это видео:
Эта статья была обновлена, чтобы отразить участие Stratys и Autodesk Inc. в исследованиях 4D-печати.
