Ученые создали технологию 4D-печати. Структура может быть преобразована из ее постоянной формы во множество различных форм, которые устойчивы при комнатной температуре, но возвращаются в исходное состояние посредством нагревания.
Объекты, которые могут изменяться в течение нескольких секунд посредством теплового воздействия, демонстрируют новую технику 4D-печати, которая однажды может быть использована для создания медицинских устройств, раскрывающихся в теле во время хирургических процедур.
Инженеры создали трехмерную пластиковую решетку, которая быстро расширяется при погружении в горячую воду и искусственный цветок, который может закрыть свои лепестки подобно тому, как растения делают это в природе.
Новая методика значительно упрощает процесс работы с материалами, используемые в 3D-принтинге, поскольку материалы легко изменяют форму, рассказывает соавтор исследования Джерри Ки, профессор Школы машиностроения им. Джорджа Вудраффа в Технологическом институте Джорджии в Атланте.
«Раньше нам приходилось тренировать и программировать материал после того, как мы его отпечатаем, — сказал Ки. — Нам приходилось нагревать его и растягивать, а затем снова охлаждать, чтобы материал приобрел новую форму. Это было довольно утомительно. При новом подходе мы выполняем все программы непосредственно в принтере».
Исследователи используют два типа материалов, которые комбинируются в трехмерной печатной структуре, чтобы создать желаемый эффект изменения формы. Мягкий материал удерживает энергию, которая управляет изменением формы, но в холодном состоянии энергия мягкого полимера содержится в другом, подобном стеклу жестком материале. Этот жесткий материал, однако, смягчается при воздействии тепла, позволяя мягкому полимеру формировать структуру. Материал предназначен для запоминания второй формы, в которую объект по умолчанию трансформируется при нагревании.
«Вы можете нагреть его и деформировать в новую структуру, в любую другую форму, и она сохранит эту форму, пока вы не разогреете ее снова, — сказал Ки. — Затем он переходит обратно в первоначальную форму».
Прежние технологии 4D-печати позволяли создавать материалы, которые изменяют свою форму только временно, а затем через некоторое время возвращаются к исходной форме.
В новом исследовании ученые использовали материал, который меняет форму, когда он нагревается до примерно 122 градусов по Фаренгейту (50 градусов по Цельсию), но Ки сказал, что, разработав характеристики жесткого материала, исследователи могут сами выбрать температуру, при которой будет происходить трансформация.
«Это обещает сделать возможным использование множества приложений для биомедицинских устройств, 3D-электроники и потребительских товаров», — говорит Мартин Данн, профессор машиностроения Сингапурского университета технологии и дизайна, который работал с командой Университета Джорджии.
Например, электронные компоненты могут быть напечатаны в плоской форме, а затем, как только они будут собраны в устройства, они смогут «раздуться» в трехмерные объекты.
«Это путь к новой парадигме производственного дизайна, где компоненты создаются отдельно, а затем внедряются в ту или иную конфигурацию », — говорит Данн.
Ки считает, что с помощью этой техники могут быть созданы биомедицинские устройства, такие как стенты (крошечные трубки, которые используются для расширения засоренных артерий для предотвращения инсультов). Эти напечатанные на 4D-принтере стенты расширились бы внутри кровеносного сосуда автоматически, просто под воздействием тепла человеческого тела. В настоящее время хирурги должны надувать стенты с помощью баллонов через катетеры.
Ци говорит, что новый метод более подходит для практического применения, чем варианты с гидрогелем. Объекты, описанные в новом исследовании, могут полностью трансформироваться менее чем за 10 секунд, по сравнению с приблизительно 7 минутами, необходимыми для материала на основе гидрогеля, который был представлен несколько лет назад группой исследователей из Массачусетского технологического института.
4D-печать на основе гидрогеля базируется на комбинации гидрогелей и ненабухающих полимерных нитей. При погружении в воду гидрогель набухает, заставляя волокна приобретать новую форму.
«В материалах на основе гидрогеля изменение формы обусловлено поглощением воды, — сказал Ки. — Но это относительно медленный процесс. Это требует времени, особенно если у вас большие структуры».
В исследовании, которое финансировалось Управлением научных исследований ВВС США, Национальным научным фондом США и Сингапурским национальным исследовательским фондом также участвовали инженеры из китайского Сианьского Университета ЦзяоТун.
Фото: Georgia Tech
Видео: Georgia Tech / YouTube
Читайте последние новости на сегодня, 19.04.2017, в нашей ленте новости-онлайн