Просто добавь воды: как 4D-печать изменит нашу жизнь
2015-02-06 | Текст: Екатерина Хворова | Фото ©: innovari / fotolia.com, Дмитрий Талапин и Саша Карпенко / wikimedia.org, с сайтов Nasa и selfassemblylab.net | 2310

Представьте себе реальность, в которой: одежда, хорошо «дышащая» летом, становится водонепроницаемой при первых каплях дождя, протектор автопокрышки динамически подстраивается под тип дороги или погодные условия, а плоский лист пластика за пару минут превращается в большой комфортабельный диван. Технология 4D-печати, над которой сейчас работают учёные и инженеры, в перспективе сможет и не такое.

Примерно 10 тысяч лет назад человечество изобрело письменность. На то, чтобы хоть как-то автоматизировать этот процесс, ушло около 8,5 тысяч лет, – в V веке н.э. в Китае появилось первое книгопечатание. На совершенствование технологии, приведшее к её широкому распространению, понадобилось ещё целое тысячелетие – удобный наборный шрифт был создан лишь в XV веке Иоанном Гутенбергом. Следующий большой шаг в развитии печати произошёл спустя 5 столетий, в 1953 году, когда корпорацией Remington-Rand был представлен прадедушка современного принтера. А всего через каких-то 33 года компания 3D Systems создала и первый 3D-принтер. Да, наша эпоха характеризуется быстрым экспоненциальным ростом, и если раньше на появление нового витка технологии уходили сотни и даже тысячи лет, то теперь – годы. 3D-печать ещё только входит в нашу жизнь, а учёные и инженеры уже вовсю работают над технологиями следующего поколения. В Массачусетском технологическом институте уже есть первые образцы объектов, распечатанных в рамках концепции 4D-печати.

Четвёртым измерением новой технологии является время, а точнее – способность напечатанных 3D-объектов с течением времени (или же в определённый момент времени) изменять свою форму на заранее заданную. Для преобразования объектам необходима определённая энергия, в роли которой может выступать свет, звук, тепло, вибрация, давление, магнитное поле и много чего ещё. В демонстрационной модели, представленной учёными, в качестве энергии для преобразования формы выступает обычная вода. За счёт поглощения жидкости объект в виде прямой трубки превращается в надпись «MIT» (Массачусетский технологический институт). Эта трубка напечатана на ЗD-принтере и имеет два слоя: пластик и адсорбент (поглотитель воды). Именно входящий в состав материала адсорбент при поглощении им воды приводит в движение остальной пластик, в нужных местах изгибая его и формируя каркас новой фигуры. Глядя на пластик, сворачивающийся под действием воды в осмысленную форму, возникает ощущение чего-то магического, хотя кроме науки и тщательно выверенной технологии в этом превращении, конечно же, ничего нет.


А на этой фотографии трубка, напечатанная на 3D-принтере, при помещении в воду, выступающую в качестве энергии для преобразования формы, превращается в куб.

А началось всё с того, что учёные подсмотрели у живой природы происходящие на молекулярном уровне процессы самоорганизации и самосборки, когда из миллионов или даже миллиардов разрозненных независимых элементов за доли секунды образуются сложные супермолекулы, приобретающие при этом вполне конкретные, запрограммированные природой пространственные формы. А на самосборку двойной спирали ДНК, состоящей из 3 миллиардов пар нуклеотидов, требуется примерно один час. При этом процессы протекают без внешнего воздействия, но с помощью различных нековалентных, то есть слабых связей – электростатических и капиллярных взаимодействий, поверхностного натяжения. Несмотря на всю свою сверхсложность, биологические системы крайне эффективны, и на их фоне человеческая деятельность выглядит достаточно примитивной. На строительство состоящего из миллиона элементов здания мы тратим 2,5 года, а на сборку космического челнока из 2,5 миллионов частей – около 5 лет. При этом устранение даже незначительных поломок не обходится без участия человека, в то время как биологические системы свои повреждения устраняют самостоятельно, если, конечно, не носят критического характера. Кроме того, вероятность возникновения ошибок в процессах биологической самоорганизации и самосборки крайне низка, чего не скажешь о пресловутом «человеческом факторе». И вот здесь исследователи призадумались: а нельзя ли принципы организации живой материи перенести на человеческую рукотворную деятельность?



На сборку космического челнока из 2,5 миллионов частей уходит около 5 лет. А на самосборку двойной спирали ДНК, состоящей из 3 млрд пар нуклеотидов, требуется примерно один час.

Программировать самосборку и самоорганизацию на наноуровне учёные уже научились. Например, именно так осуществляется выращивание ряда кристаллов, производство некоторых гидрогелей и даже создание изоляторов в микросхемах. «На микро- и наноуровнях сейчас происходит невиданное до сих пор развитие технологий, – рассказывает руководитель Лаборатории самоорганизующихся систем в Массачусетском технологическом институте и, собственно, автор концепции 4D-печати Скайлар Тиббитс. – Это – возможность программировать неживую и живую материю на изменение формы и свойств и даже на выполнение вычислений без использования кремниевых устройств… Однако в более привычном для нас масштабе существуют другие проблемы, не связанные с нанотехнологиями. Если мы обратимся к проектированию и производству, то увидим постоянные препятствия, излишнее потребление энергии и неэффективные методы работы».


Пример самосборки на наноуровне: проекции бинарных сверхрешёток, образованных различными наночастицами, и модельные элементарные ячейки соответствующих трёхмерных структур.

Очень наглядно сущность и потенциальные выгоды 4D-технологий можно продемонстрировать на примере трубопровода. Существующие технологии предполагают производство труб ограниченной пропускной способности, требующих дополнительных укреплений и искусственной прокачки воды. Эти трубы зарываются в землю. Если изменяются какие-то условия (например, потребуется увеличить пропускную способность), то всё начинается с начала – трубы выкапываются и заменяются новыми. Но представляется, что в будущем можно будет создать такой водопровод, который сможет сам изменять свою пропускную способность, при необходимости сжимаясь или расширяясь. Учёные полагают, что, возможно, получится даже имитировать перистальтику (волнообразное сокращение стенок пищевода, желудка, кишечника и ряда других органов, способствующее проталкиванию пищи) для продвижения воды в нужном направлении, а значит отпадёт необходимость в дорогостоящих насосах и уплотнениях. Необходимости зарывать такую адаптивную трубу, скорее всего, не будет – её части можно будет ввести под землю через небольшие отверстия, и уже там труба сама приобретёт необходимую форму, бесшовно соединившись в одно целое из отдельных элементов. MIT, в сотрудничестве с технологической компанией «Геосинтек», уже работают над созданием концепции такого трубопровода.

Но наиболее эффективным использование новых технологий будет, конечно же, в отраслях, связанных с высокими транспортными затратами. Здесь на первом месте, с большим отрывом от всех остальных, стоит космонавтика, и особенно та её часть, которая имеет дело с перспективными проектами по освоению других планет, в частности Луны и Марса. Создание внеземных баз будет означать необходимость доставки туда большого количества разнообразных строительных конструкций. Но если вместо них получится создать однотипные плоские элементы, которые на месте самостоятельно объединятся и приобретут необходимую пространственную форму лабораторий, жилых корпусов и обеспечивающей инфраструктуры, то на этом человечеству удастся немало сэкономить. Примерно то же самое можно сказать и о других «особых» сферах, связанных со сложными природными условиями, проведением подводных и подземных работ.


Крайне востребованными самоорганизующиеся системы могут оказаться за пределами Земли при строительстве внеземных баз.

По мере удешевления 4D-технологий они проникнут и во все другие области нашей жизни. Строительство, архитектура, автопром, военная отрасль… Учёные даже размышляют на счёт того, как при этом изменится бизнес IKEA. Вполне серьёзно они говорят: «Любая мебель будет продаваться в виде небольшого прямоугольного куска полимера, на котором будет написано: «Просто добавь воды». Сделав это, через несколько минут вы получите шикарный диван, кровать или кухонный гарнитур».

Но помимо формы объекта, 4D-технологии позволят делать динамичными и многие другие его свойства, даже цвет и запах. Например, одежда будет способна не только ремонтировать сама себя, но и при необходимости (по погоде) изменять свою свето- и влагопропускную способность, а также, в определенных условиях, защитить человека от удара или ожога. А камуфляж при этом можно будет сделать ещё и самостоятельно подстраивающимся по цвету под любой фон окружающей среды.

Важно, что в каждый 4D-объект может быть «зашито» сразу несколько физических условий, при которых он будет изменять свои форму и свойства. Такая возможность позволит, например, напечатать на 3D-принтере плоскую фотоэлектрическую панель, затем подвергнуть её тепловому воздействию, чтобы она приобрела компактный транспортабельный вид, ну а перед началом использования поместить её в магнитное поле, чтобы она приняла оптимальную форму для эффективного улавливания солнечных лучей.


Хамелеон обладает уникальной способностью менять свой окрас в течение доли секунды. 4D-технологии позволят делать то же самое с нашей одеждой.

Анна Бэлэзс, один из научных руководителей проекта по развитию 4D-технологий, реализуемого в рамках почти миллиардного (в долларах) гранта, выданного Управлением научно-исследовательских разработок армии США, говорит: «Вместо того, чтобы производить предметы из «статического» материала или материала, который может просто изменять свою форму, мы предлагаем использовать сложные адаптивные материалы, применение которых позволит запрограммировать их форму, свойства и функциональность в широких пределах. Можно создать ткань, которая будет изменять свою окраску при изменениях уровня освещённости. Изменения температуры приведут к изменениям коэффициента теплопроводности этой ткани, а её структура сможет моментально «окаменеть» при резком ударе, защищая тело человека, носящего одежду из такой ткани. Использование всех преимуществ нового подхода позволит создавать адаптивные материалы, которые одновременно будут прочны и эластичны, гибки и тверды, обладая при этом весьма малым весом».


В будущем вместо того, чтобы покупать разные шины для зимы, лета, бездорожья или даже для участия в «Формуле-1», вам потребуется всего один комплект покрышек. Протектор шины, исходя из внешних условий, сам примет необходимую форму.

Для появления технологии 4D-печати были необходимы материалы с особыми свойствами. Они должны были обладать способностью меняться конкретным образом под воздействием определённых внешних факторов. И хотя сама идея четырёхмерных объектов появилась достаточно давно (существовали даже их опытные модели), но только недавно технология была доведена до приемлемого уровня доступности и потребительской пользы – появились более простые в изготовлении, небольшие по масштабу и недорогие «умные» материалы.

Пока они применяются преимущественно в узкоспециализированных областях – в производстве гидрогелей, биоразлагаемых упаковок, в экспериментальной медицине и биоинженерии. Значимые практические результаты достигнуты и в микроэлектронике – инженерам из Университета Северной Каролины удалось сконструировать тензометрический датчик, самостоятельно восстанавливающийся после механического повреждения. Аналогичными свойствами обладают защитная плёнка для экранов мобильных устройств компании Toray Advanced Film и чехол для iPhone. Они сами в течение нескольких секунд устраняют мелкие царапины.

В технике одним из самых востребованных материалов с активной микроструктурой считается частично стабилизированный диоксид циркония. Созданные из него детали не только обладают высочайшей механической прочностью, но и способны заполнять образовавшиеся в них трещины благодаря фазовому переходу из неравновесного состояния в равновесное. Как материал с исключительной износостойкостью в настоящее время он широко используется в установках измельчения и дробления химической, фармацевтической и пищевой промышленности.

Особую группу материалов составляют сплавы с эффектом памяти формы – таких на сегодня известно более 20. Если изделие из такого материала деформировать, то после нагрева оно вернётся к первоначальной форме. При этом имеется возможность задать сразу несколько исходных форм. Тогда при одной температуре изделие будет иметь одну форму, при другой – другую, при третьей – третью. Наилучшим материалом с памятью формы считается никелид титана, а наиболее впечатляющим способом его применения – производство соединительных втулок. Другой способ использования никелида титана видели, наверное, многие. Из него делают специальные ложки, которые фокусники потом сгибают силой человеческой мысли. На самом же деле ложки изначально делаются кривыми. Перед началом фокуса их выпрямляют, придавая привычную для ложки форму. Во время представления, только лишь под воздействием тепла человеческой руки, ложка начинает медленно сгибаться, просто приобретая свою изначальную форму.


Втулки из никелида титана, разработанные и внедрённые фирмой «Рейхем Корпорейшен» (США), используются для соединения труб гидравлической системы военных самолётов. В исходном состоянии такая втулка представляет из себя небольшую трубку, имеющую на внутренней стороне несколько выступов. Перед использованием втулку помещают в криостат, где при температуре −196˚C плунжером развальцовываются внутренние выступы. Холодная втулка становится изнутри гладкой. Затем специальными клещами втулку вынимают из криостата и надевают на концы соединяемых труб. Дальше всё происходит «автоматически». При достижении комнатной температуры внутренние выступы «вспоминают» свою исходную форму, выпрямляются и врезаются во внешнюю поверхность соединяемых труб. Получается прочное соединение, выдерживающее давление до 800 атмосфер. Оно является хорошим заменителем сварки и предотвращает такие недостатки сварного шва, как неизбежное разупрочнение металла и накопление дефектов в переходной зоне между металлом и сварным швом. Кроме того, этот метод хорош для финального соединения при сборке конструкции, когда сварка из-за переплетения узлов и трубопроводов становится труднодоступной. В каждом истребителе насчитывается более 300 тысяч таких соединений, но сообщений об их поломках не поступало ни разу.

Но будущее, считают учёные и инженеры, всё-таки за «умными полимерами», в том числе и по той причине, что именно они являются наиболее подходящим материалом для использования в 4D-печати. Хотя сами по себе такие материалы не позволяют создавать достаточно сложных вещей, но их определённое сочетание с запрограммированными свойствами открывает фактически безграничные перспективы. Именно состав материалов и их взаимное расположение в четырёхмерном объекте позволяют в дальнейшем получать необходимые геометрические формы. Поэтому при создании таких объектов принтер печатает не определённый чёткий образ, а «волокна» из множества материалов, которые способны менять форму на заданную. В дальнейшем при изменении внешних условий вслед за «волокнами» будет изменяться и облик всего объекта.

Понятно, что четырёхмерная технология печати предполагает заранее программируемое изменение, то есть в момент печати в объект уже должен быть заложен механизм преобразования. И уже к настоящему времени разработаны программные среды, в которых это программирование можно сделать. В демонстрационных моделях возможностей 4D-печати (в частности, в надписи «MIT», о которой говорилось в начале) программирование материала выполнено с помощью приложения Autodesk Cyborg от известной во всём мире корпорации Autodesk. При этом, по словам Карлоса Олгуина, представителя этой компании, они постараются сделать всё возможное для демократизации данной сферы, чтобы «обычные люди без докторской степени по химии смогли в ней экспериментировать». А Дэниел Диковски из Stratasys, одного из ведущих мировых производителей 3D-принтеров, говоря о возможностях 4D, поясняет: «Подобная современная алхимия, умеющая программировать нужные свойства материалов, станет новой ключевой парадигмой. Сейчас формируются дизайнерские принципы, основанные на изменчивых свойствах этих удивительных новых материалов. Хотя сегодня таких материалов ещё немного, но в этой сфере ведётся титаническая работа с очень быстрым прогрессом. Через 4-5 лет мы увидим очень продвинутые материалы, которые можно программировать и печатать».

Конечно, пройдёт ещё немало времени до того момента, когда будет возможно создание любых фантастических для сегодняшнего дня материалов. Как говорит автора термина «4D-печать» Скайлар Тиббитс: «Пока краешек этой технологии только начинает открывать себя. Сегодня мы входим в новую эпоху с перевёрнутыми правилами игры: новое поколение «программистов материи, а не компьютеров» обуздывает естественный самосборный порядок вещей во вселенной для серийного производства изделий».


Подпишитесь на eRazvitie.org в Фейсбуке и ВКонтакте, чтобы не пропустить новые материалы.


dsf
Найдите нас Вконтакте
Рекомендуем прочитать
Default AJAX