Резюме
- 4D-печать реальна, она существует уже сейчас и способна изменить мир.
- Самосборка в 4D-печати использует материалы, реагирующие на внешние воздействия.
- Обычный 3D-принтер можно использовать для создания 4D-объектов при условии надлежащего этапа проектирования.
Печать в «4D» может показаться чем-то, придуманным для научно-фантастического романа, но на самом деле это реальная технология объектной печати, которая развивает то, что уже возможно с помощью современных 3D-принтеров, и делает это ошеломляющим образом.
4D-печать реальна, она существует прямо сейчас, и она вполне может изменить мир.
4D-печать — это самостоятельная сборка
Так о каком 4-м измерении мы здесь говорим? Вы, наверное, догадались, что это времяИдея заключается в том, что напечатанный на 3D-принтере объект может менять свою форму и самостоятельно собираться в другую конечную форму после 3D-печати.
Эта идея действительно зародилась в Массачусетском технологическом институте, в лаборатории самосборки, созданной Скайлар Тиббитс. Гиганты 3D-печати и моделирования Stratasys и AutoDesk также приложили к этому руку.
Идея заключается в том, что 3D-печатный объект имеет как жесткие, так и гибкие, расширяемые компоненты. Расширяемый материал реагирует на внешние стимулы после того, как объект напечатан. Тиббетс представил эту идею в своем выступлении на TED Talk более десяти лет назад, но она по-прежнему увлекательна, и технология, позволяющая сделать это эффективно, сейчас намного более продвинута, чем тогда.
Подобные самоорганизующиеся конструкции являются частью более обширной категории программируемая материя, и когда вы думаете об этом, самая сложная система, которую мы знаем — жизнь — построена на самосборке более простых структур. Так работают белки, и, конечно, животные начинаются как один эмбрион, который делится, а затем многократно сворачивается в различные структуры тела.
Подумайте об оригами, где один плоский лист бумаги может быть сформирован в бесконечное количество сложных структур просто путем складывания. Если вы сможете это понять, вы поймете, насколько важной станет 4D-печать.
4D-печать происходит на 3D-принтере
Самое приятное, что вам не нужен специальный «4D» принтер для создания 4D объектов. Многоматериальный 3D принтер уже может создавать эти объекты, если он может печатать требуемыми материалами.
Настоящий гений здесь на этапе проектирования. Дизайнеры 4D-объектов используют специальное программное обеспечение для проектирования и планирования того, как перейти от обычного 3D-печатного объекта к сложному 4D-объекту. Возможно, что еще важнее, многие из этих объектов не предназначены для самостоятельной сборки один раз, а для изменения своей конфигурации по мере необходимости. Важным примером, который Тиббетс приводил на протяжении многих лет, являются водопроводные трубы, которые могут менять свой размер в ответ на потребности линии подачи. Примерно таким же образом ваши вены могут изменять свой диаметр, чтобы регулировать давление и поток крови через ваше тело.
Однако настоящим ключом здесь является программное моделирование. Используя компьютерное моделирование, дизайнеры могут точно определить, как что-то напечатать, чтобы оно самособралось именно так, как нужно, когда вы добавляете энергию.
Энергия и материя активируют свою окончательную форму
4D-печать не завершена, когда покидает принтер — она латентна. Ей все еще нужно событие активации. Это может быть:
- Тепло: некоторые материалы резко расширяются или сжимаются при определенных температурах.
- Влага: Гидрогели разбухают или меняют форму при воздействии воды.
- Свет: УФ- или инфракрасное излучение может вызвать химические изменения в материале.
- Магнитные поля: Материалы, реагирующие на магнитное поле, могут изменять свои свойства сложным образом.
И это не обязательно должно ограничиваться только этим. Некоторые из самоорганизующихся структур, которые Тиббетс продемонстрировал в своем оригинальном выступлении на TED, также реагировали на кинетическую энергию. Другими словами, если их потрясти, они начнут самоорганизовываться.
Также постоянно разрабатываются новые метаматериалы, например, искусственные мышечные волокна, которые сокращаются при подаче электричества. Если бы вы могли напечатать эти материалы, их можно было бы включить в конструкцию 4D-печатного объекта.
Можно ли печатать 4D дома?
Технически возможно для нас делать 4D-печать дома с помощью наших 3D-принтеров. Если ваш принтер может печатать нужными материалами, а дизайн продуман, то ничто не мешает нынешним любителям 3D-печати попробовать 4D-печать.
На практике необходимые материалы не всегда доступны, ваш принтер, скорее всего, не сможет напечатать их без доработки, а проектирование этих объектов (самая сложная часть) не каждому под силу.
Тем не менее, в 2023 году Teaching Tech предприняла попытку изготовить простую 4D-печать в домашних условиях, используя имеющиеся нити и принтеры.
После долгих раздумий, проб и ошибок он смог это осуществить. Так что, в принципе, мы не так уж далеки от 4D-дизайнов, которые можно распечатать дома. Конечно, технически есть некоторые отпечатки, которым требуется лишь немного кинетической энергии от вас, чтобы изменить форму после печати, но, строго говоря, это не самосборка!
