4-D-trykte materialer kan være stive som træ eller bløde som svamp

Forestil dig smarte materialer, der kan ændre sig fra at være stive som træ til så bløde som en svamp – og også ændre form.

Rutgers University-New Brunswick ingeniører har skabt fleksible, lette materialer med 4-D-print, der kan føre til bedre stødabsorbering, morphing fly- eller dronevinger, blød robotik og bittesmå implanterbare biomedicinske enheder. Deres forskning er publiceret i tidsskriftet Materialer Horisonter .

3-D print, også kendt som additiv fremstilling, omdanner digitale tegninger til fysiske objekter ved at bygge dem lag for lag. 4-D print er baseret på denne teknologi, med én stor forskel:den bruger specielle materialer og sofistikerede designs til at printe genstande, der ændrer form med miljømæssige forhold, såsom temperatur, der fungerer som en udløser, sagde senior forfatter Howon Lee, en adjunkt ved Institut for Maskin- og Luftfartsteknik. Tid er den fjerde dimension, der tillader dem at forvandle sig til en ny form.

"Vi tror på dette hidtil usete samspil mellem materialevidenskab, mekanik og 3-D-print vil skabe en ny vej til en lang række spændende applikationer, der vil forbedre teknologien, sundhed, sikkerhed og livskvalitet, " sagde Lee.

Ingeniørerne skabte en ny klasse af "metamaterialer - materialer konstrueret til at have usædvanlige og kontraintuitive egenskaber, der ikke findes i naturen. Ordet metamaterialer stammer fra det græske ord" meta, " som betyder "højere" eller "ud over."

Tidligere, formen og egenskaberne af metamaterialer var irreversible, når de blev fremstillet. Men Rutgers ingeniører kan tune deres plastiklignende materialer med varme, så de forbliver stive, når de rammes eller bliver bløde som en svamp for at absorbere stød.

Stivheden kan justeres mere end 100 gange i temperaturer mellem stuetemperatur (73 grader) og 194 grader Fahrenheit, giver stor kontrol over stødabsorbering. Materialerne kan omformes til en lang række formål. De kan midlertidigt omdannes til enhver deformeret form og derefter returneres til deres oprindelige form efter behov, når de opvarmes.

Materialerne kan bruges i fly- eller dronevinger, der ændrer form for at forbedre ydeevnen, og i letvægtsstrukturer, der er kollapset til opsendelser af rum og reformeret i rummet til en større struktur, såsom et solpanel.

Bløde robotter lavet af bløde, fleksible og gummiagtige materialer inspireret af blæksprutten kan have variabel fleksibilitet eller stivhed, der er skræddersyet til miljøet og opgaven. Små enheder indsat eller implanteret i mennesker til diagnose eller behandling kan midlertidigt gøres bløde og fleksible til minimalt invasiv og mindre smertefuld indsættelse i kroppen, sagde Lee.