Інженери навчилися формувати двовимірні листи гідрогелю таким чином, щоб під час стискання вони могли утворювати об’ємні форми. Техніка дасть змогу друкувати пласкі шари гідрогелю, які заздалегідь можна «запрограмувати» зростати у необхідну тривимірну форму та використовувати, наприклад, у м’якій робототехніці. Так вченим вдалося створити форму автомобіля, мушлі й людського обличчя за допомогою цифрового світлового 4D-принтера. Результати роботи опубліковані у журналі Nature Communications.
Чому б одразу не надрукувати у 3D?
У природі є безліч прикладів того, як з пласкої конструкції живим організмам вдається набувати різноманітних форм та рухів завдяки розширенню або стисненню — просторово контрольоване зростання. Це і квіти, листя рослин, і епітелій органів, і, наприклад, морські безхребетні. Надихнувшись цим, вчені прагнуть навчитися імітувати розширення і скорочення м'яких тканин, як це зустрічається у природі, але з синтетичних матеріалів, щоб створювати м’яких роботів, розумні тканини та краще наслідувати природні системи.
Що виростили інженери?
У своїй роботі вченим вдалося повторити форму морської мушлі, листя різних розмірів та модель реального автомобіля, який відсканували у 3D, щоб продемонструвати потенційне застосування технології для повторення реальних об'єктів. За словами інженерів, надруковані конструкції майже не відрізнялися від заданих під час моделювання параметрів. Також технологія дає змогу створювати тривимірні форми з різних матеріалів — надрукованого ската вдалося навіть зробити різнокольоровим, додавши під час виробництва наночастинки золота. Щоб продемонструвати здатність гідрогелю зростати у дійсно довільні тривимірні форми, вчені відтворили справжнє людське обличчя — 3D-модель свого колеги.
На відміну від традиційного адитивного виробництва, яке послідовно створює тривимірні структури за допомогою пошарового осадження матеріалів, цей метод одночасно друкує кілька двомірних матеріалів з індивідуально налаштованим дизайном, без необхідності використання підтримуючих конструкцій протягом 3 хвилин.
Як надрукувати 3D-мушлю з гідрогелю?
Щоб змусити двомірний гідрогель вирости у тривимірну фігуру, на визначених точках його поверхні вчені збільшували або зменшували кількість матеріалу, що під час набухання і стискання гідрогелю викликало необхідні вигини. Так інженери вирахували коефіцієнт зростання речовини, що дасть змогу створювати будь-які форми, враховуючи особливості руху конструкції під час висихання. Фактор зміни форми вираховували за допомогою стандартних тривимірних конструкцій з відомими осесиметричними метриками: сферичної кришки, сідла та конуса. Експериментально реалізувати свої розрахунки інженерам вдалося за допомогою цифрового світлового 4D-друку (digital light 4D printing, DL4P) — технології для друку предметів, що змінюють свої характеристики, де четвертою «D» називають не вимір, а параметр зміни форми або функції об'єкта. DL4P кодує двовимірні шари гідрогелю вже з фактором зміни форми і, контролюючи фотополімеризацію, забезпечує локальну щільність полімерних сіток гідрогелю, контролюючи ступінь набухання та усадки, що дає змогу програмувати майбутню форму.