I disse dage ser 3D-udskrivning ud til at være kernen i de fleste nye nye forskningsforetagender, hvad enten det er at udvikle måder til at udskrive hele måltider eller genskabe ansigtstræk til at reparere en patients ansigt.
Men Skylar Tibbits ønsker at forhøje ante: Han håber 4D-udskrivning vil være tinget i den ikke så langt fremtid.
Navnet på hans koncept, indrømmer Tibbits, var til at begynde med lidt let. På Massachusetts Institute of Technology forsøgte Tibbits og forskere fra firmaerne Stratasys og Autodesk Inc at komme på en måde at beskrive objekterne, de lavede på 3D-printere - objekter, der ikke kun kunne udskrives, men takket være geometrisk kode, kunne også senere ændre form og transformere på egen hånd.
Navnet gik fast, og nu kunne processen, de udviklede - som omdanner kode til "smarte objekter", der kan samles selv eller ændre form, når de konfronteres med en ændring i dets miljø - meget godt dukke op i en række industrier, fra byggeri til konstruktion til atletisk slid.
”Normalt udskriver vi ting, og vi tror, de er færdige, ” siger Tibbits. ”At det endelige output, og så samler vi dem. Men vi ønsker, at de skal kunne transformere og ændre form over tid. Og vi ønsker, at de skal samles selv. ”
Tibbits, en forsker ved MIT, fik sidste gang kloden for at fastslå, hvad der er kendt som universitetets selvforsamlingslaboratorium. Udfordringen var at se, hvordan smarte forskere kunne fremstille et objekt uden at stole på sensorer eller chips; hvor flydende de kunne fremstille noget uden ledninger eller motorer.
Som heldet ville have det, da Tibbits delte dette dilemma med bekendte hos Stratasys, et førende 3D-trykkeri, fortalte de ham, at virksomheden havde udviklet et trykmateriale, der udvides med 150 procent, når det placeres i vand. Det lød lovende. Men det virkelige spørgsmål var, hvordan man bringer præcision til den transformation, så et objekt kunne udfolde sig, krølle og danne specifikke vinkler i stedet for bare at hæve sig op som en oppustet svamp.
Tibbits 'svar: Geometri.
Med en 3D-printer tilslutter en operatør en virtuel plan for et objekt, som printeren bruger til at konstruere det endelige produkt lag for lag. For at lave noget "4D", giver Tibbits imidlertid printeren en nøjagtig geometrisk kode baseret på objektets egne vinkler og dimensioner, men også målinger, der dikterer, hvordan det skal ændre form, når de konfronteres med udvendige kræfter som vand, bevægelse eller en ændring i temperatur .
Kort sagt indstiller koden retningen, antallet af gange og de vinkler, hvorpå et materiale kan bøjes og krølles. Når dette objekt konfronteres med en ændring i miljøet, kan det stimuleres til at ændre form. Rør kunne for eksempel programmeres til at udvide eller skrumpe for at hjælpe med at flytte vand; mursten kunne skifte for at rumme mere eller mindre stress på en given væg.
Tibbits demonstrerede konceptet med 4D-udskrivning på en TED-tale sidste år, hvor han viste, hvordan en enkelt streng trykt materiale kunne programmeres til at foldes på egen hånd til ordet "MIT."
(Se en video af den demo nedenfor)
Formerne på de kommende ting
Pålydende er det et koncept, der er meget cool. Men hvornår kan vi forvente at se disse former for transformationer ude i den virkelige verden?
I nogle tilfælde sker de allerede. Tibbits påpeger, at i nanoteknologi har videnskabsmænd været i stand til at programmere fysiske og biologiske materialer til at ændre deres form og egenskaber - såsom at bruge DNA til selv at samle nanorobots.
At erkende, at dette sker på en menneskelig skala, er meget mere udfordrende, især i mere traditionelle industrier, såsom byggeri. Men Tibbits siger, at mindst et firma er interesseret i at se, hvordan 4D-programmering kan anvendes til infrastruktur. Der er potentiale, siger han, ved at bruge selvmonterende materialer i katastrofeområder eller ekstreme miljøer, hvor konventionel konstruktion ikke er mulig eller for dyr. For eksempel ser han en fremtid for det, han kalder ”adaptiv infrastruktur” i rummet.
Tibbits siger, at hans laboratorium arbejder tæt sammen med en række branchepartnere om måder, de kunne integrere 4D-konceptet i deres forretninger på. Med hensyn til hvor vi måske ser transformere produkter på hylderne, tænker Tibbits innovation inden for møbler eller sportsbeklædning. Han tilbyder eksemplet på sneakers, der kan ændre form og funktion som svar på, hvordan de bruges.
"Hvis jeg begynder at løbe, " sagde han, "[sneakersene] skulle tilpasse sig at være løbesko. Hvis jeg spiller basketball, tilpasser de sig til at støtte mine ankler mere. Hvis jeg går på græs, skulle de vokse klods eller blive vandtætte, hvis det er regner. Det er ikke som, at skoen forstår, at du spiller basketball, selvfølgelig, men det kan fortælle, hvilken slags energi eller hvilken type kræfter, der anvendes af din fod. Det kan transformere baseret på pres. Eller det kunne være fugt eller temperaturændring. “
Multidimensionel tænkning
Her er nogle andre nyere udviklinger inden for 3D- og 4D-udskrivning:
- Hærmanøvrer: Den amerikanske hær har givet tilskud til Harvard University, University of Pittsburgh og University of Illinois for at undersøge måder, hvorpå militæret kunne bruge selvmonterende genstande, hvilket øger muligheden for krisecentre eller broer, der springer i form.
- Bare fortæl ikke nogen, at din makeup kom lige fra printeren: Harvard-studerende Grace Choi har oprettet en prototype til en 3D-printer kaldet "Mink", der er designet til at lade brugerne vælge enhver tænkelig farve og derefter faktisk udskrive makeup i den farvetone.
- Alt i en dags arbejde: I Kina brugte et ingeniørfirma 3D-printere til at bygge 10 en-etagers huse om dagen. Printerne, der var 33 fod brede og 22 fod høje, brugte en blanding af cement og byggeaffald til at bygge væggene lag for lag.
Og for mere om potentialet ved 4D-udskrivning, se denne video:
Denne artikel er blevet opdateret for at afspejle Stratys og Autodesk Incs engagement i 4D-udskrivningsforskning.
