"4D gedruckt ' Objekte Form ändern, nachdem sie gebildet werden

Durch die Nachahmung Weise Orchideen, Calla Lilien und anderen Pflanzen biegen und verdrehen, haben Wissenschaftler Formwandler "4D gedruckt" Strukturen geschaffen, die sie sagen, eines Tages könnte helfen, Wunden zu heilen und in Roboter chirurgische Instrumente verwendet werden.

Heute 3D Druck können Artikel, die aus den unterschiedlichsten Materialien erstellt werden, Kunststoff, Keramik, Glas, Metall und sogar fremde Zutaten wie Schokolade und lebenden Zellen. Die Maschinenarbeit durch Hinterlegung Schichten von Material, ganz normale Drucker Tinte hinlegen – außer 3D Drucker bedrucken auch flache Schichten übereinander, 3D Objekte erstellen.

Wissenschaftler sagen nun, dass sie vor kurzem innovative 4-D-Druckverfahren entwickelt, die 3D-Druck-Elemente, die Form zu ändern beinhalten, nachdem sie gedruckt werden sollen. [Siehe Video über die Funktionsweise dieser Formwandler, "4D gedruckt" Strukturen]

"Andere aktive Forschungsgruppen erkunden 4D-Druck erfordern mehrere Materialien gedruckt zusammen, mit einem Material, das starre, während ein weiterer Änderungen Form und wirkt wie ein Scharnier, bleibt", sagte Studie Co-Autor Senior Jennifer Lewis, ein Materialwissenschaftler an der Harvard University.

Die Forscher wollten 4D gedruckt Strukturen zu schaffen, die einfacher, aus einer Art von Material anstelle mehrerer erstellt wurden. Sie suchten Inspiration aus der Natur, Blick auf Pflanzen, deren ranken, Blätter und Blüten auf Umweltfaktoren wie Licht und Berührung reagieren können. Zum Beispiel "Tannenzapfen öffnen und schließen kann je nach dem Grad ihrer Hydratation — wie feucht sie sind," Lewis gesagt Leben Wissenschaft.

In ähnlicher Weise sagte "ranken sich Spule als Bestandteil ihrer Struktur holzig wird und schrumpft, was zu Spannungen, die dazu führen, die drahtige Struktur dass zu verbiegen und verdrehen," Studie Co-Autor Senior L. Mahadevan, ein angewandter Mathematiker und Physiker an der Harvard University Leben Wissenschaft.

Pflanzenstrukturen bestehen zum größten Teil von Fasern aus einem Material bekannt als Zellulose. Lewis und ihre Kollegen, die steif Cellulosefasern, eingebettet in eine weiche Hydrogel entwickelte 3D-gedruckten Strukturen aus, die gleiche Art von Material aus dem weichen Kontaktlinsen gemacht. Dieses Hydrogel schwillt, wenn in Wasser getaucht.

Die Forscher können die Richtungen steuern, in denen diese Fasern in den gedruckten Strukturen ausgerichtet sind. Im Gegenzug steuern die Ausrichtungen dieser Fasern die Art und Weise, in der diese Strukturen anschwellen, wenn sie in Wasser getaucht sind, ähnlich wie Zellulose Fasern-Kontrolle, die die Art und Weise Pflanzen aufgrund von Flüssigkeiten in ihnen ausgeübte Druck flex, der Forscher sagte. Im Wesentlichen können die Wissenschaftler die Ausrichtung der Cellulosefasern in den Strukturen, um wie die Objekte Formänderung zu programmieren.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sie die Strukturen machen könnte sie schufen Verschiebung in Kegel, Sattel, Rüschen und Spirale formt Minuten, nachdem sie in Wasser eingeweicht wurden. Sie hatten Flachblechen beugen und drehen Sie in komplexen 3D-Strukturen, die ähnlich wie Orchideen und Callas.

"Ich am meisten überrascht war die komplexe Formänderungen, die wir in den gedruckten Architekturen codieren könnte angesichts der Tatsache, dass wir ein Material in einem einstufigen Prozess gedruckt,", sagte Lewis.

Die Forscher stellten fest, dass sie ihre 4D gedruckt Strukturen mithilfe Hydrogele, die auf andere Faktoren reagieren auf komplexere Weise Verhalten leisten können – wie Licht, Wärme und Säure – und ersetzt die Zellstofffasern mit anderen starre Stäbe, wie elektrisch leitfähigen Bars.

In der Zukunft sagte Pflanze inspirierten 4D gedruckt Strukturen ausgesät werden konnte, mit lebenden Zellen zu helfen, Wunden zu heilen, oder finden Verwendung in "weiche Mikro-Greifer für Roboter chirurgische Instrumente", Lewis. "Eine andere Anwendung von Interesse ist intelligente Textilien, die Form oder die Durchlässigkeit als Reaktion auf Feuchtigkeit, Temperatur und so weiter ändern." Einige dieser Anwendungen verfolgen in meinem Labor jetzt wir."

Lewis, Mahadevan und ihre Kollegen, Ingenieur Materialien Sydney Gladman und Physiker Elisabetta Matsumoto, beide an der Harvard University und Chemiker Ralph Nuzzo an der Universität von Illinois Urbana-Champaign, detaillierte Erkenntnisse heute online (Jan. 25) in der Zeitschrift Nature Materials.

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