Чудеса 4D печати: предметы, которые "по команде" меняют форму

В Лаборатории технологий самосборки (Self-Assembly Lab) Массачусетского технологического института, разработаны программируемые материалы, способные менять свою форму. Это стало возможным благодаря технологии 4D печати.

Подобно тому, как 3D-принтеры создают трехмерные объемные предметы, 4D позволяют создать материалы, у которых присутствует еще одно дополнительное "измерение". Возглавивший разработку Скайлер Тиббитс рассказывает, что этот компонент позволяет предметам изменять свою форму или структуру под воздействием воды, высокой температуры, света или других факторов.

Используя такие принтеры, способные печатать различными материалами, можно производить конструкции с весьма необычными свойствами. Например, отрезки древесины под воздействием воды могут трансформироваться в предметы мебели. С одной стороны, из-за хаотичной структуры дерева происходящие деформации непредсказуемы. С другой - можно достаточно точно предвидеть деформацию материала и придать ему необходимую форму, смачивая в строго определенных местах. Конечно, с природной древесиной это сделать проблематично, но с помощью 4D-принтера можно создать любую структуру из чередующихся слоев разной толщины и качества, которая под влияние воды или нагревания примет строго заданную форму.

В Лаборатории технологий самосборки Массачусетского технологического института уже печатают не только такое дерево, но и ткани, гибкое углеродистое волокно и прочие программируемые материалы.

Так, система CX6, позволяет изготовить углеродное волокно, которое может свернуться, закрутиться и деформироваться любым другим образом в ответ на различные виды воздействия. Внедряя в структуру волоконного материала компоненты других материалов, получают строго рассчитанную схему деформации в ответ на высокую температуру, свет или влагу.

Из программируемых материалов можно создавать что угодно - начиная от одежды-трансформера и заканчивая адаптивными аэродинамическими кузовами автомобилей и фюзеляжей самолетов, которые смогут подстраиваться под изменяющиеся условия окружающей среды.

О таких технологиях раньше и не мечтали: для реализации подобных процессов требовалось использовать сложнейших электронно-механических системы, применять масштабные производственные процессы и пр. Главный плюс программируемых материалов заключается в том, что их изготовление не требует дорогого оборудования или каких-то специальных "исходников".

Разумеется, чудо-материалами сразу заинтересовались производители из самых разных сфер. Первым, кто начал сотрудничать в этом направлении с Массачусетским технологическим институтом - компания Airbus. Ее представители совместно с командой Скайлера Тиббитса уже начала работы по созданию из программируемого материала регулятора воздухозаборника для реактивного двигателя. На очереди еще несколько разработок для других представителей аэрокосмической отрасли. Кроме того, ведутся переговоры с одной из европейских мебельных фирм, которая собирается выпускать самособирающуюся мебель.

Используют преимущества 4D печати и другие мировые лаборатории. Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере включили полимерные волокна с "эффектом памяти формы" в композитные материалы, используемые в традиционной 3D печати. Таким образом, печатается объект одной формы, который впоследствии преображается в нечто иное в зависимости от ориентации и расположения волокон в композите. "Исходник" может сворачиваться, скручиваться, растягиваться и т.п. Можно контролировать эти эффекты не только заданным расположением волокон, но и путем нагревания или охлаждения материала. Интересно, что формы предметов задаются еще на стадии проектирования, что несколько лет назад считалось невозможным.

Технология открывает захватывающие возможности для различных отраслей. К примеру, солнечные панели, разнообразные листовые материалы можно будет выпускать любых форм и размеров, а для удобной транспортировки за счет свойств волокон делать их максимально компактными. После прибытия в пункт назначения, продукт можно будет активировать, и он примет заданную форму.

А недавно представители подразделения Research Office армии США выделили грант на $855 тысяч на разработку 4D материалов и готовятся вскоре претворить технологию в реальность. В частности, это будут меняющие структуру, адаптирующиеся к условиям окружающей среды автомобильные покрытия, а также солдатская форма, способная оперативно менять тип комуфляжа, более эффективно защищать солдат от ядовитого газа или шрапнели.