4D Print: Četvrta dimenzija štampe sa MIT Univerziteta

Tek što smo prihvatili činjenicu kako 3D štampanje može da se primeni u najrazličitijim oblastima života, stigla je ideja o 4D štampi. I ne samo ideja: ostvareni su i prvi konkretni rezultati u razvoju ove tehnologije, najpre u MIT laboratorijama u Masačusecu, a nedavno i na Univerzitetu u Volongongu u Australiji. A koja je četvrta dimenzija? Naravno, vreme…

4D štampa svakako je jedna od najimpresivnijih tehnologija budućnosti. To je zapravo 3D štampa kojom nastaju objekti koji mogu da menjaju svoj oblik i funkciju. Zbog toga se u ovoj tehnologiji klasičnom 3D štampanju pridodaje nova dimenzija – vreme, a sam objekat se nakon izrade može menjati u vremenu, mnogo posle štampanja.

U kasnijim promenama štampanih oblika ne učestvuje čovek, već se objekat sam menja na osnovu unapred definisanih pravila. 4D štampači formiraju objekat nanošenjem materijala u slojevima, a ključ kasnije promenljivosti je u materijalu koji se koristi. „Pametni“ materijali izuzetno su osetljivi na spoljna dejstva (temperaturu, pritisak, vlagu), vrlo su fleksibilni i istovremeno dovoljno robusni da izdrže unutrašnja i spoljašnja opterećenja. Karakteristike im omogućavaju da prave pokrete i promene na isti način kao prirodne biološke strukture (biljni i životinjski svet).

Najimpresivnije dostignuće tehnologije 4D štampanja jeste molekularno samosklapanje, gde se molekuli sami organizuju u predefinisane strukture, što je uobičajen proces u biološkim sistemima i nanotehnologiji. 4D štampanje dovešće taj proces na makroskopski nivo.

Samosklapanje 4D štampanih objekata čitavu ovu priču smešta na granicu s naučnom fantastikom. Kako bi se drugačije i moglo kategorisati kreiranje nameštaja koji menja svoj oblik u skladu sa enterijerom u kome će se nalaziti, zgrada koje se na isti način menjaju i prilagođavaju okruženju, vodovodnih i kanalizacionih cevi koje ne moraju da se otkopavaju kako bi se produžile ili pomerile…

MIT programabilni materijali

Prve konkretne rezultate tehnologije 4D štampanja prikazali su istraživači MIT‑ja u junu 2013. godine. Oni su ostvareni u laboratoriji Self‑Assembly, čiji je direktor arhitekta Skylar Tibbits. Koristeći „pametan“ materijal oni su štampali samosklapajuće niti, od kojih se jedna stavljanjem u vodu transformisala u logotip MIT‑a, a druga dobila oblik kocke.

Materijal za izradu ovih niti, kao i princip transformacija koje se obavljaju na bazi molekularnih interakcija u materijalu, razvila je kompanija Stratasys. Njena tehnologija nosi naziv Connex multi‑material 3D printing technology. Ona omogućava transformaciju 1D i 2D objekata u trodimenzionalne, kao i bilo kog 3D objekta u drugi 3D objekat. Kako bi se aktivirao samosklapajući proces, naučnici mogu da programiraju osobine „pametnih“ materijala u bilo kom delu njihove strukture, njihovo ponašanje pri apsorpciji vlage ili delovanju drugih spoljnih faktora.

Osim pametnog materijala, važan je i softver koji definiše slaganje komponenata na nano i makro nivou. Razvili su ga istraživači sa MIT‑ja koristeći Autodesk‑ovu cloud platformu Project Cyborg. Ona se koristi za simulaciju različitih transformacija oblika i optimizaciju pojedinih komponenti pri 4D štampanju. Profesor Tibbits kaže: „To je sjajna demonstracija skalabilnosti samosklapanja, koja se proteže od nanodimenzija do dimenzija čovekovog organizma, i koja najavljuje potpuno nov način proizvodnje u budućnosti“.

Tim je nastavio sa istraživanjima na novim vrstama pametnih programabilnih materijala – hibridnoj plastici, gumi, drvetu, tekstilu, ugljenim vlaknima… Tu tehnologiju primenili su za štampanje cevi koje se mogu širiti i skupljati po potrebi, te cigala koje se mogu prilagoditi različitim pritiscima.

4D štampanje u Australiji

Tim inženjera sa australijskog Univerziteta u Volongongu (ACES – ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science), na čijem čelu je profesor Marc in het Panhuis, ostvario je najnovije dostignuće u 4D štampanju. Studiju o ovoj tehnologiji oni su objavili krajem aprila ove godine u časopisu Macromolecular Rapid Communications. Kao primer štampali su ventil za vodu (za primenu u medicini) koji se, zahvaljujući hidrogelu osetljivom na temperaturu, zatvara automatski pri temperaturi višoj od kritične.

ACES tim dizajnirao je štampač koji proizvodi 4D objekat istovremenim korišćenjem četiri različita kartridža. Kao materijal za štampanje koristili su specijalni hidrogel koji menja svoj oblik na kritičnoj temperaturi (Tc), koja iznosi 32 do 35 °C. Do promene oblika dolazi zbog gubitka vode na temperaturi iznad kritične. Na taj način štampani objekat može se transformisati iz jednog oblika u drugi.

Hidrogel je napravljen na bazi ICE (Ionic Covalent Entanglement) polimera – poli N izopropilakrilamid (PNIPA), koji pokazuje visok stepen termoosetljivosti. Jonskim kovalentnim uplitanjem formira se dualna struktura polimera (polimer s metalnim katjonima i polimer s kovalentnom hemijskom vezom). On se odlikuje inverznom rastvorljivošću nakon zagrevanja. Na nižim temperaturama, PNIPA apsorbuje vodu, a na višim je oslobađa.

Na dosadašnjem stepenu razvoja 4D štampači koriste apsorpciju vode ili temperaturu radi štampanja objekata promenljivog oblika. Za sada je reagovanje materijala nedovoljno brzo, sa ograničenjima u pokretima i fleksibilnosti i s malom raspoloživom snagom.

Naravno, stalno se radi na usavršavanju tehnologije, a dosadašnji rezultati mogli bi da dovedu do vrlo naprednih rešenja. Tim istraživača iz Australije predviđa da će se na ovaj način štampati različite samosklapajuće makrostrukture, roboti, razne vrste senzora i mnogi drugi mehanizmi. One će se primenjivati u kućnom okruženju, industriji, građevini, auto‑industriji, avio‑saobraćaju… Očekuje se i njihova revolucionarna primena u medicini, kao i okruženjima koja su ekstremno nepovoljna za čoveka poput rada u svemiru.

Nadežda Veljković

(Objavljeno u Časopisu PC#222)