新しい「4D印刷」の進歩により、自然に触発された形を変えるオブジェクトが作成されます

2016-02-20
このビデオでは、マイクロスケールの印刷プロセスと、4D印刷された蘭の形をしたヒドロゲル複合構造の変換について説明します。ワイアットインスティテュート/ハーバード大学

ほとんどの人と同じように、おそらくまだ3Dプリントのアイデアに頭を悩ませているでしょう。ここで、デジタル設計図によって指示されたプリンタヘッドが、材料の連続する層を互いに重ねてスプレーし、立体的な3次元オブジェクトを作成します。しかし、その技術が航空宇宙から歯科に至るまでの分野で急速に普及しているにもかかわらず、科学者はさらに考えがたいものを思いついています。4D印刷では、時間の経過とともに形状が変化するようにプログラムされたオブジェクトがプリンターによって作成されます。または特定の刺激に応じて。

多くの研究者が4D印刷技術に取り組んできました。現在、ハーバード大学のWyss Institute for Biologically Inspired Engineeringと、WyssのコアファカルティメンバーであるJennifer A. Lewisが率いる同校のJohnA。Paulson School of Engineering and Applied Sciences(SEAS)の科学者チームが、さらに別のブレークスルーを生み出しました。 。Nature Materialsに掲載された記事では、光、湿度、触覚などの刺激に応じた植物の変化に触発された、より合理化された新しいプロセスについて説明しています。

4次元に入る

4D印刷の概念は、研究科学者SkylarTibbitsが率いるマサチューセッツ工科大学チームによって最初に開発されました 。 Tibbitsは、学校のSelf Assembly Labの共同ディレクターであり、 資料を取得してオブジェクトに整理する方法の考案に取り組んでいます。この 2013年のTechnologyReviewの記事で 詳しく説明しているように、Tibbitsと彼の同僚は、イスラエルの会社Stratasysが開発した新しい柔軟な素材を採用しました。これは、水中に置くとその体積の150倍に拡大し、2番目のより剛性の高い素材と組み合わせました。

次に、ソフトウェアを使用して、2つの材料を組み合わせる際に使用する正確な比率と最適な向きを決定し、水に導入されたときに曲がって新しい構成に変形するようにしました。 2013年の TEDトーク (以下をご覧ください)で、Tibbitsは4-Dプロセスを発表し、素材のストランドを水に浸し、それがどのようにMITの文字に形を変えたかを示すセンセーションを生み出しました。

MITが考案した2材料プロセスとは対照的に、ハーバード大学のチームは1つの材料、つまり植物の細胞壁の構成要素であるセルロースの小さな繊維が内部に広がった複合ゲルインクを利用しています。素材をプリンターでスプレーしてオブジェクトを形成した後、本当の楽しみが始まります。まだの場合は、この記事の上部にあるハーバード大学のビデオを見て、プリンターが膨張して水中で変化する花の形を作成することを確認してください。

自然からのインスピレーション

研究の共同主執筆者の1人であるハーバード大学の大学院生A.Sydney Gladmanは、新しい4D印刷プロセスは自然触発され、植物の一部がより膨潤する異方性膨潤と呼ばれる現象を模倣しているとメールで説明しています。別の方向よりも一方向。彼女は松ぼっくりの例を挙げています。松ぼっくりは、木の上で水和状態にあるときは閉じたままですが、種子を散布するために地面で乾くと開きます。この現象もありますが、刺激に反応して変化する花もあります。

この一連の画像は、水中に沈めた後の4D印刷されたヒドロゲル複合構造の変換を示しています。

「ヒドロゲル複合インクに同じセルロースフィブリルを埋め込むことで、まさにこのメカニズムを模倣しています」とグラッドマン氏は言います。「印刷中にこれらのフィブリルが整列し、印刷されたフィラメントが他の方向よりも一方向に大きく膨らみます。」

セルロース繊維を正確な角度で配置することにより、水にさらされたときに材料がどのように複雑な形状に再形成されるかを指示することができます。「1つの角度が0度で、もう1つの角度が90度の場合、曲げ動作が発生します」とGladman氏は言います。「一方の角度が45度で、もう一方の角度が[負] 45度の場合、ねじれ動作が発生します。」

4D印刷を実用的なテクノロジーに変えるには、さらに多くの作業を行う必要がありますが、必要に応じて形を変えることができるスマートテキスタイルなど、多くの潜在的な用途があります(「Backto未来II」)とソフトエレクトロニクス。グラッドマン氏によると、研究者たちは、体が必要とするときに成長または変化する可能性のある人工移植臓器を作成するために細胞を足場に噴霧する、変形可能な組織工学のための4D印刷の最終的な使用についても調査しているという。いつの日か、それは私たちの多くを形を変える人にするかもしれません。

この4D印刷物の形状は自然から着想を得ており、時間の経過や刺激に応じて変化します。

今それは興味深いです

ハーバードの研究のための資金の一部は陸軍研究所から来ました。Georgetown Journal of International Affairsの2014年の記事では、カモフラージュの色を変更したり、要素から保護するためにシフトしたりできる兵士のユニフォームや、それに応じて自分自身を変更できる車両など、4D印刷のさまざまな軍事用途の可能性を想像していました。環境。

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