Инженеры из Университета Джорджии разработали 3D—принтер, способный печатать объекты с заранее запрограммированным «поведением» во времени. Ключевым решением в разработке стало использование полимеров с эффектом памяти формы. Описание технологии опубликовано в журнале Scientific Reports.

Стадии сворачивания «коробочки», напечатанной на «4D-принтере»Изображение: Yiqi Mao et al. / Scientific Reports, 2015

Авторы работы подобрали семь различных полимерных материалов, способных восстанавливать свою форму при нагревании. В «расслабленном» состоянии они стремились к сворачиванию. Из-за разницы в их внутреннем строении, скорость, с которой они восстанавливали свою форму при данной температуре различалась — например, самый быстрый материал при 80 °C сворачивался за 11 секунд, самый медленный примерно за 18.

С помощью принтера авторы печатали трехмерный объект — развертку будущей фигуры. Она состояла из твердых плоских фрагментов и «суставов», которые были сделаны из одного из семи материалов с памятью формы. Эти стыки находились в «напряженном» состоянии, будучи плоскими. Затем объект помещали в горячую воду, где «суставы» начинали сгибаться.

Сворачивание ленты с одинаковыми «суставами» (сверху) и разными (снизу). Изображение: Yiqi Mao et al. / Scientific Reports, 2015

Благодаря знанию о том, с какой скоростью будет сворачиваться каждый из «суставов» конструкции, ученые заранее определяли все траектории движения отдельных частей объекта и точно знали, какую форму он примет в конце. Так, авторам удалось создать ленту, которая сворачивается при нагревании в «квадратную» спираль, а также конструкцию, сцепляющуюся сама с собой в процессе сворачивания.

Сворачивание структуры, содержащий фрагмент с внутренним сцеплением. Изображение: Yiqi Mao et al. / Scientific Reports, 2015

Кроме того, инженеры разработали модель самостоятельно складывающейся коробки, содержащей внутри себя прорези и вставляемые в них выступы. Его сворачивание происходило без внутренних столкновений между частями развертки.

Техника получила название четырехмерной печати, поскольку в трехмерную конструкцию словно бы закладываются инструкции о поведении в четвертом измерении — времени. Аналогичные проекты существовали и ранее, но они предполагали нагрев «суставов» до разных температур для достижения различных скоростей их сгибания. Однако изменение формы напечатанного объекта не обязательно должно происходить под действием тепла. К примеру, изменения в его форме могут происходить благодаря контакту с водой, светом или какими-либо другими внешними факторами.

Автор: Владимир Королёв