Selv maskiner har brug for deres greens

Et træ vokser sig stærkt efter år med at generere sin egen mad. Forestil dig nu, om produkter kunne styrkes med de samme levende materialer, der giver næringsstoffer til at styrke træerne. Dette er arbejdet udført af USC Viterbi School of Engineering Civil- og miljøingeniørprofessor Qiming Wang, hvis forskningslaboratorium er et af de første, der infunderer 3-D printerblæk med levende materiale. Materialet har potentiale for større styrke, at være fleksibel og selvhelbredende. Arbejdet er dokumenteret i et papir udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Idéen til dette bio-inspirerede blæk kom fra træer, der udnytter fotosyntesens kraft til at producere glukose, der omdannes til cellulose og styrker plantens cellestruktur. "Når træer er unge, " siger Wang, "de er fleksible, når de er modne, de er stive."

"Forskningsidéen er også inspireret af sømanden Popeye, den animerede karakter, der kan styrke sine muskler ved at spise spinat, " siger Wang, hvis forskning er fokuseret på bioinspireret fremstilling og mekanik af hidtil usete materialer og strukturer, der potentielt kan løse tekniske udfordringer i infrastruktur, energi, robotteknologi, sundhedsvæsenet og miljøet.

"Nu, vi bruger videnskabelig innovation til at realisere vores barndoms fantasi, " siger Wang.

Forskerholdet bag denne undersøgelse, som omfatter USC Viterbi Ph.D. studerende Kunhao Yu og Zhangzhengrong Feng som hovedforfattere sammen med professor Nicholas X. Fang fra Massachusetts Institute of Technology og professor Chiara Daraio fra California Institute of Technology, brugt en centrifuge til at udvinde kloroplaster fra spinat købt hos Trader Joe's. De blandede spinat-chloroplasterne med en nyopfundet 3-D-printbar polymerblæk. Derefter brugte de blækket til at 3-D-printe strukturer. Ved at påføre lys på den 3-printede struktur, de skabte betingelser for at generere plantebaseret glukose, som reagerer med polymeren for at få materialet til at blive stærkere og stærkere.

Ved at anvende to til fire timers lys og efterligne kraften ved fotosyntese, forskerne mener, at dette "levende materiale" kan selvstyrke til seks gange dets oprindelige styrke. Hvad mere er, den styrkende effekt, som de levende kloroplaster fremkalder, kan midlertidigt suspenderes ved at fryse materialet ved 0? (kloroplasterne bremses midlertidigt ved frysning). Når temperaturen vender tilbage til stuetemperatur, den styrkende effekt kan genoptages.

"Materialet opfører sig som en slange, der dvaler gennem vinteren, " siger Wang.

"Sådan en midlertidig 'suspenderende adfærd' er aldrig blevet påvist i eksisterende tekniske materialer, " tilføjer Wang.

Yu, en hovedforfatter på papirnoterne, "Denne teknologi med gradientlysbelysning kan skabe tekniske strukturer med gradientstivhed, som udviser en ekstraordinær "dæmpende" egenskab langt ud over de homogene egenskaber.

"En anden slående opdagelse er, at den styrkende effekt kan indstilles af ydre kraft, " sagde Feng, avisens anden hovedforfatter.

"Når du hænger en vægt på en gren, den gren vil blive meget stærkere end andre grene, en proces kaldet "mekanotransduktion". Det samme fænomen sker her.

Holdet forestiller sig at anvende fotosyntese på materialer for at designe en tilpasset 3-D-printet sneakersål, der former sig efter ens fod og har en tilpasset stivhed.

Nogle planter udviser en selvhelbredende evne under podning og sårreparation. Ifølge forskerne, det "levende materiale" infunderet med kloroplaster i et laboratorium på USC præsenterer også en enestående selvreparerende egenskab. En sådan egenskab induceres af den fotosyntese-producerede glucose, der skaber den molekylære proces med tværbinding (i det væsentlige svarende til at skabe suturer). En sådan revne-reparerende evne kunne anvendes i bådpropeller eller endda droner.