4D Printing Inspired by Nature

Wetenschappers aan de Harvard Universiteit hebben een methode ontwikkeld om 4D-geprinte structuren van vorm te laten veranderen, wat op een dag kan helpen bij het genezen van wonden en gebruikt kan worden in robotische chirurgische instrumenten. Om dit punt te bereiken, bootsten ze het gedrag van orchideeën, calla-lelies en andere bloemen na, vooral hoe ze buigen en draaien.

Met deze nieuwe biometrische 4D-printtechniek werden natuurlijke plantstructuren vervaardigd en vervormd door vloeistof in een vooraf gedefinieerde vorm te spuiten. Het team van onderzoekers combineerde een speciaal gemaakt hydrogel dat cellulosevezels bevat, met behulp van complexe wiskundige modellen. Deze hydrogel is hetzelfde soort materiaal dat wordt gebruikt om zachte contactlenzen te maken en zwelt op wanneer het in water wordt ondergedompeld. De composietinkt die het team gebruikt gedraagt zich als vloeistof door de printkop, maar kan snel stollen zodra het geprint is.

“Dit werk vertegenwoordigt een elegante vooruitgang in programmeerbare materiaalsamenstelling, mogelijk gemaakt door een multidisciplinaire aanpak. We zijn nu verder gegaan dan het integreren van vorm en functie om transformeerbare architecturen te creëren” zei mede-senior auteur Jennifer Lewis, een materiaalwetenschapper aan de Harvard Universiteit. Het team van onderzoekers merkte vervolgens op dat ze hun 4D-geprinte structuren complexer konden laten reageren door hydrogels te gebruiken die reageren op externe factoren (zoals licht, warmte en zuurgraad) en de cellulosevezels te vervangen door andere stijve staven, zoals elektrisch geleidende staven.

De nieuwe methode zou toegepast kunnen worden in de elektronica en robotica, biomedische sector of zelfs slimme kleding. De hydrogel zou bijvoorbeeld gecombineerd kunnen worden met andere materialen om eenvoudige objecten elektrische geleidbaarheid te geven. “Het is geweldig om in een ontworpen structuur enkele van de oplossingen van de natuur te kunnen ontwerpen en realiseren” zei Mahadevan, een expert op het gebied van botanisch gedrag, tegen de Harvard Gazette. “Door het inverse probleem op te lossen, zijn we nu in staat om het probleem omgekeerd te ontwerpen en te bepalen hoe we lokale inhomogeniteit, d.w.z. de afstand tussen de geprinte inktfilamenten, en de anisotropie, d.w.z. de richting van deze filamenten, kunnen variëren om de ruimtelijke-tijdelijke respons van deze vormveranderende vellen te controleren”.

Bron: Harvard Gazette