Исследователи из США, Китая и Сингапура разработали новый метод 4D-печати — изготовления объектов с поведением, запрограммированным во времени.

В настоящее время способностью восстанавливать геометрию обладают материалы с памятью формы. Это свойство связано с микроструктурой: так, если нитиноловая проволока, зерна которой имеют вытянутую форму, будет закалена в виде спирали и затем распрямлена, зерна подвергнутся деформации. Однако при последующем нагревании зерна вытянутся, и сплав восстановит форму. Помимо металлов в роли таких материалов могут выступать вещества на полимерной основе. По сравнению со сплавами они лучше подходят для прототипирования и печати, тем не менее, необходимость проведения отдельной закалки ограничивает их использование.

Чтобы восполнить пробел, сотрудники Сингапурского университета технологии и дизайна, Технологического института Джорджии и Сианьского транспортного университета объединили печать объекта и восстановление его формы в одну стадию. Авторы использовали коммерческий 3D-принтер Objet Connex. С его помощью на первых этапах они производили двухслойные полимерные полосы, первый слой которых составлял эластомер, способный растягиваться и возвращаться в исходное состояние. В качестве второго слоя выступил полимер с памятью формы, сохраняющий упругость при комнатной температуре.

Примеры запрограммированных деформаций / ©Zhen Ding et al. / Science Advances, 2017

Нагревание полосы приводило к ее частичному сворачиванию. На структурном уровне это происходило следующим образом. При помещении материала в тепло его слои расширялись из-за различия коэффициентов температурного расширения. В то же время более упругий слой с памятью формы ограничивал деформацию объекта. Впоследствии, при достижении температурной отметки в 45 градусов Цельсия, упругость второго слоя значительно снижается, и полоса изгибается. При температуре 60 градусов Цельсия коэффициенты выравниваются, останавливая деформацию. При этом охлаждение материала позволяло сохранить новую форму, а при 62 градусах Цельсия и более — «перепрограммировать» ее вручную.

Угол изгиба полос исследователи контролировали с помощью разных условий печати второго слоя. По мере увеличения времени обработки каждого из 30-микронных слоев полимера ультрафиолетовым излучением показатель изгиба повышался. Для симуляции более сложного поведения ученые сочетали слои в разном порядке, например, меняя их местами. Таким образом им удалось добиться программируемого превращения полимерной полосы в спираль и извилистую линию. Конструкции с большим количеством слоев также можно было запрограммировать на значительное расширение с появлением «сетки» или трехмерные «купола».

По словам специалистов, попытка напечатать подобные объекты с помощью традиционных методов более трудоемка. Вместе с тем разработка едва ли найдет применение в «мягкой робототехнике», поскольку после нагревания многослойный полимер фиксирует новую форму без возможности восстановления. Метод может использоваться, например, в медицине — для восстановления просветов в органах и сосудах. Расширению материала будет способствовать тепло организма.

Подробности работы опубликованы в журнале Science Advnces.

О перспективной технологии 4D-печати ранее сообщали исследователи из Массачусетского технологического института. С ее помощью они предложили производить одежду, которая способна деформироваться в ответ на средовые влияния.