Druk 4D podważa styl życia przyszłości!

2021-10-27

Wyobraź sobie, że od regałów z płyt wiórowych po budynki mieszkalne, maszyny i konstrukcje, których używamy na co dzień, mogą być montowane. Nigdy więcej kluczy imbusowych IKEA, żadnych dźwigów, tylko materiały drukowane w 3D „wiedzą”, jak składać, zwijać i utwardzać, tak jak rośliny rosnące w filmie poklatkowym.

Czy możemy drukować obiekty czterowymiarowe?

Technicznie rzecz biorąc, wszystko jest czterowymiarowe – według fizyków jest to w rzeczywistości dziesięciowymiarowe lub wyższe – ale my bierzemy pod uwagę świat rzeczywisty głównie pod względem długości, szerokości i wysokości. Czwarty wymiar, czas, uważamy za wroga i postaramy się jak najlepiej oprzeć się jego wpływom.

Dlatego budujemy ściany i rury, które są tak wytrzymałe, jak to tylko możliwe i naprawiamy je w miarę starzenia się, ponieważ budowa wymaga czasu, pieniędzy i energii, a nie chcemy tego robić w kółko. Ale co, jeśli czas nie jest wrogiem? Załóżmy, że strukturę można rozłożyć jak origami. Wyobraź sobie, czy jego ściany ulegną wygięciu lub twardnieniu pod wpływem zmieniających się obciążeń, czy też zakopana rura może zmienić kształt, aby dostosować się do zmieniającego się przepływu wody. Lub pompować wodę przez perystaltykę, jak układ trawienny. Dzięki drukowaniu 4D nic nie spadnie na kamień, chyba że sobie tego życzysz.

Jeśli naukowcy i producenci będą mogli z niego korzystać, druk 4D może zmienić całą naszą filozofię produkcji. Firmy mogą drukować bunkry, maszyny i narzędzia, pakować je na płasko, a następnie transportować tam, gdzie są potrzebne (na przykład w rejony katastrofy) lub przygotowywać się do trudnych warunków, takich jak przestrzeń kosmiczna lub dno oceanu. Tam warunki środowiskowe szkodliwe dla ludzi mogą w rzeczywistości powodować zmianę kształtu i właściwości obiektów – nie tylko raz, ale wielokrotnie.

Sednem jest podstawowa fizyka, chemia i geometria stojąca za najzwyklejszymi naturalnymi procesami. Zastanów się, jak zmienia się kształt włosów, gdy nadchodzi burza. Jest to prosty problem związany z powietrzem, który powoduje, że keratyna tworzy bardzo wysoki procent wiązań wodorowych, co powoduje ich zwijanie się zamiast rozciągania.

Urządzenia dwuwymiarowe nie wymagają do zbudowania ludzi ani robotów, które wymagają do działania mikroukładów, systemów serwo i armatur.

Sukienka Chromat Adrenaline wykonana z paneli drukowanych w 3D wykorzystuje moduł Curie firmy Intel. Co sprawia, że jest to 4-D?

Sedno druku 4-D jest wynikiem drukowania 3D i samodzielnego montażu na innym pograniczu.

Samodzielny montaż to dokładnie to, co brzmi: spontaniczne ułożenie części w większą funkcjonalną całość. Dziedzina ta jest bardzo popularna w dziedzinie nanotechnologii z dwóch bardzo dobrych powodów. Po pierwsze, samoorganizacja zachodzi już w nanoskali i stanowi siłę napędową procesów od fałdowania białek do tworzenia kryształów.

Jeśli jednak uda nam się zwiększyć skalę samodzielnego montażu proporcjonalnie do ludzi, może to sprawić, że obecne produkty będą tańsze i prostsze, albo stworzyć nowe technologie, które w innym przypadku byłyby niemożliwe. To ciężka praca i często frustrująca. Nawet w idealnych warunkach konieczne byłoby przerwanie kolejności montażu, opracowanie programowalnych części i zapewnienie źródła energii, które umożliwi działanie sprzętu. Nie jest złym pomysłem ustalenie pewnych poprawek błędów. Ale w zasadzie do wykonania tej pracy potrzebne są odpowiednie narzędzia i materiały.

Wejdź do druku 3D. Chociaż wciąż pojawiają się nowe metody, tradycyjnie drukowanie 3D wymaga wielokrotnego układania dobrze zdefiniowanych warstw polimerowych na stole drukarskim. Gdy każda nowa warstwa twardnieje i łączy się z warstwami poniżej, pojawia się trójwymiarowy kształt. Wczesne modele mogą drukować tylko jeden materiał na raz, ale nowsze drukarki 3D mogą korzystać z szerszego zakresu nośników druku i mogą drukować z więcej niż jednego materiału na raz. W przypadku druku 4D jest to ważny przełom, ponieważ różne materiały pozwalają programistom budować w obszarach, które twardnieją, wyginają się lub pęcznieją lub „mają nadzieję” na zagięcie. Mogą mieć obszary pochłaniające wodę, takie jak gąbki, lub obszary wytwarzające energię elektryczną po wystawieniu na działanie światła.

To właśnie Laboratorium Self-Assembly w MIT nazywa materią programowalną. Jest to metoda naukowa, inżynierska i materiałowa, która koncentruje się na materii, którą można zakodować w celu przekształcenia się lub zmiany jej funkcji. Jednym z zastosowań materiałów programowalnych jest druk 4D.

Rynek zmienny

Firma badawcza Marketsandmarkets przewidziała w raporcie z 2015 r., że do 2025 r. druk 4D będzie stanowił branżę wartą 555.6 mln USD rocznie. Raport zakłada, że technologia 4D zostanie skomercjalizowana w krótkim terminie, ale początkowy postęp jest niewielki (ta konwersja daje ogromne możliwości biznesowe). Raport wyraźnie wspomina sektory lotniczy, obronny i wojskowy, ale uważa się, że branże takie jak przemysł samochodowy, tekstylny, opieka zdrowotna, budownictwo i usługi komunalne również są potencjalnymi wczesnymi użytkownikami.

Programowalne rzeczy: geometria to przeznaczenie

Skylar Tibbits, dyrektor MIT Self-Assembly Laboratory, i jego zespół prowadzi tę innowację.

Naukowcy z MIT nie są jedynymi badaczami zajmującymi się drukiem 4D, ale szkolne laboratorium do samodzielnego montażu było pierwszym laboratorium, które przyciągnęło uwagę, w dużej mierze dzięki przemówieniu głównego architekta Skylara Tibbitsa TED.

Naukowcy w laboratorium po raz pierwszy weszli w świat samodzielnego montażu, tworząc proste, duże, samodzielnie zbudowane roboty. Kiedy odkryli, że praca i wydatki są niewykonalne, zwrócili się ku kształtom i materiałom z wbudowaną logiką.

W 2010 roku stworzyli Logic Matter, zestaw zazębiających się kształtów, które mogą rozwiązywać problemy obliczeniowe przy użyciu tylko ich kształtów geometrycznych.

W końcu komputery używają do działania bramek elektronicznych, które łączą 1 i 0. Bramki te używają algebry Boole'a, a algebra Boole'a zada pytania takie jak "oba wejścia mają wartość 1?". Lub "Wpisz 1?" Tibbits Lab również zadał to samo pytanie, po prostu używając złożonych wielościanów zamiast zwykłych elektrycznych stanów włączenia/wyłączenia, które reprezentują 1 i 0. Wprowadzanie polega na kliknięciu kształtu na miejscu. Tworzy to nową konfigurację, która pozwoli na podłączenie następnego kształtu (wyjścia) tylko w górę (prawda) lub w dół (fałsz) w celu uzyskania odpowiedzi.

Materia logiczna nie wzniosła się do poziomu samoorganizacji – elementów, które trzeba było skleić ludzkimi rękami – ale rzeczywiście można ją zbudować, demonstrując problem. W kolejnych latach badacze w laboratoriach do samodzielnego montażu coraz częściej sięgali po przedmioty zgodne z ich nazwami: geometryczne kształty, które łączyły się ze sobą po zwinięciu lub potrząśnięciu w pojemniku, a po potrząśnięciu łańcuchy o określonym kształcie. i wiele więcej.

Oznacza to kolejny ważny krok: połączenie wbudowanego trendu geometrycznego z energią wejściową (lub innymi czynnikami środowiskowymi), aby to zadziałało.

Ale czym jest ten trend geometryczny?

Jeśli kiedykolwiek próbowałeś zrobić coś z tektury (albo drewna lub metalu), wiesz, że łatwiej będzie je złożyć, jeśli najpierw zdobędziesz. Dlatego scoring jest rodzajem programowania, sposobem na sprawienie, aby materiał zachowywał się tak, jak chcesz. Teraz wyobraź sobie materiały, które zastępują tekturę, z których niektóre mogą pochłaniać wilgoć i rosnąć, podczas gdy inne pozostają sztywne. Wrzuć go do wody i obserwuj, jak zmienia się jego kształt. Bądź wystarczająco sprytny, pasując i strzelając, a zanim się zorientujesz, znajdziesz coś naprawdę wyjątkowego.

Ale najpierw potrzebujesz dużo precyzyjnej kontroli nad używanymi materiałami i sposobem ich rozmieszczania przez maszynę. Ta metoda sprawdzi się lepiej na mniejszą skalę. Na mniejszą skalę większy wpływ będą miały nakłady energii i różnice materiałowe. Druk 3D z wielu materiałów może zapewnić naukowcom niezbędną kontrolę, ale potrzebują również odpowiednich materiałów.

Samoskładane origami

Zespół z Uniwersytetu Harvarda stworzył orchideę, która nabiera kształtu po umieszczeniu w wodzie.

Kiedy Tibbits wspomniał o swoim pomyśle ludziom z Stratasys, firmy drukującej 3D z siedzibą w Minnesocie, pokazali mu materiał, który może urosnąć o 150% po zanurzeniu w wodzie. Woda stanowi obiecujący sposób na manipulowanie obiektami 4D, ponieważ natura zapewnia działające modele wielu obiektów, które zmieniają kształt wraz ze zmianą wilgotności. Nazywamy je roślinami.

Rośliny wykazują właściwości dośrodkowe i rosną w określony sposób w zależności od czynników środowiskowych, takich jak światło słoneczne (fototropizm), woda (tropizm wodny), grawitacja, substancje chemiczne (chemotaksja), a nawet kontakt fizyczny (tiksotropia). Na przykład rośliny mają tendencję do pochylania się w kierunku światła słonecznego, ponieważ światło słoneczne zabija hormony zwane auksynami, promując w ten sposób wzrost. Dlatego strona rośliny odwrócona od słońca rośnie szybciej niż strona zwrócona ku słońcu, powodując, że roślina pochyla się w kierunku światła. Przy odrobinie wyobraźni łatwo jest zobaczyć, jak podobnie naginamy fizyczne zasady, które łączą materiały, środowisko i energię, aby licytować.

Biorąc pod uwagę inspirację, jaką rośliny dostarczyły badaczom druku 4D, nie dziwi fakt, że zespół z Harvardu wyprodukował „orchideę” w 2016 roku, produkując wydrukowaną w 4D „orchideę” (która po umieszczeniu w wodzie ma taką samą nazwę). Kwiatek jest drukowany hydrożelowym materiałem kompozytowym, a następnie jest transportowany warstwa po warstwie rurą do stołu drukarskiego jak papierowa torba.

Dwa aspekty procesu drukowania wyjaśniają zachowanie kwiatów. Pierwszym z nich jest użycie hydrożelu, który może wchłonąć dużo wody. Drugim faktem jest to, że materiały kompozytowe zawierają również fibryle celulozy – cienkie i mocne włókna, które są niezbędne dla struktury rośliny. Ponieważ celuloza zawsze płynie w znanym kierunku, zespół badawczy może dokładnie ją uformować, aby kontrolować, które części kwiatu mogą puchnąć, a które pozostaną sztywne po wystawieniu na działanie wody [źródło: McAlpine].

Niewątpliwie z biegiem czasu zobaczymy więcej eksperymentów z wykorzystaniem różnych innych materiałów, takich jak przewodniki w obwodach elastycznych i dynamicznych. Jednak prawdopodobnie zobaczymy również, że termin „druk 4-D” ma swoje własne życie, jak większość modnych słów, i rozszerza się, by objąć szerszy zakres tematów. Na przykład firma o nazwie Nervous System opisuje swoją nowatorską technologię drukowania odzieży 3D (tj. odzieży wykonanej z płatków nylonu sprytnie połączonych złączami) jako „drukowanie 4D”.

Link do tego artykułu: Druk 4D podważa styl życia przyszłości!

Oświadczenie o przedruku: Jeśli nie ma specjalnych instrukcji, wszystkie artykuły na tej stronie są oryginalne. Proszę wskazać źródło przedruku: https://www.cncmachiningptj.com/，thanks！