عادة ، يعني 4D مساحة رباعية الأبعاد حيث توجد أجسام رباعية الأبعاد - قطعة صغيرة ، و ICocitrachor (ليس لها نظائر في العالم ثلاثي الأبعاد) ، وما شابه. قبل بضع سنوات ، تم استخدام مصطلح 4D للإشارة إلى تقنية خاصة لطباعة الكائنات التي تغير خصائصها بمرور الوقت. وبالتالي ، في الطباعة رباعية الأبعاد ، لا يُطلق على "الرابع" القياس ، ولكن المعلمة التي يرتبط بها موضع الكائن (ربما الوظيفة).
تكنولوجيا الطابعة 4D بالكاد تكون ثورية مقارنة بالطباعة التقليدية ثلاثية الأبعاد - يتم إنشاء كائن طبقة تلو الأخرى بنفس الطريقة. يحدث الشيء الأكثر إثارة للاهتمام لاحقًا ، عندما يبدأ العنصر النهائي في التغيير. وهنا يعتمد كل شيء على المواد المستخدمة في الطابعة. تتغير المواد الخاصة تحت تأثير الماء والحرارة والضوء والإجهاد الميكانيكي ويمكن أيضًا برمجتها لأعمال معينة.
دعونا نرى سبب الحاجة إلى الطباعة رباعية الأبعاد وكيف يبدو العالم المبني على أساس الأشياء التي تغير شكلها وسلوكها.
سيارات المستقبل
في العام الماضي ، قدّمت BMW شكل سيارات المستقبل. لم يكن المفهوم بدون استخدام 4D. كما تصور المهندسون ، يتكون جسم السيارة من أقسام مثلثة منقولة مطبوعة على طابعة رباعية الأبعاد. ستحتوي هذه الأجزاء على وظائف متكاملة ، والتي يتم تحقيقها الآن عن طريق تحرير أجزاء مختلفة وتجميع آلية واحدة منها.
بفضل استخدام مواد خاصة مشابهة في خصائص ألياف الكربون ، سيكون لكل قسم من لحظة الإنتاج وظائف مبرمجة. على سبيل المثال ، ستخدم معظم التغطية منافذ العجلات المصممة لتحسين الديناميكيات الهوائية. أثناء الدوران ، تتمدد الأقسام المثلثة ولا تحك الإطارات ضد الأقواس.
عرض مرئي لقدرات السيارة المفاهيمية ، تم إنشاؤه باستخدام الطباعة رباعية الأبعاد:
تغير الشكل عند ملامسة الماء
لفت فريق من العلماء في جامعة هارفارد الانتباه إلى النباتات التي تتفاعل وتغير شكلها استجابة للمنبهات البيئية. تم تطوير هياكل هيدروجيل المركبة التي تغير شكلها عند غمرها في الماء.
تم طباعة الكائن على شكل زهرة السحلبية بأحبار هيدروجيل مركبة تحتوي على ألياف سليلوز موجهة خصيصًا. لإعطاء الألياف الخشبية الاتجاه المطلوب ، تم خلطها مع هيدروجيل الأكريلاميد. عند غمرها في الماء ، تغير المادة الناتجة أبعادها الهندسية بطريقة محددة مسبقًا.
تتيح لك الأحبار المركبة الحصول على منتجات ذات أشكال مختلفة. علاوة على ذلك ، من الممكن تغيير تركيبة المادة للحصول على خصائص معينة ، على سبيل المثال ، الموصلية الكهربائية أو التوافق الحيوي.
طور باحثون في مختبر التجميع الذاتي بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نموذجًا ثنائي الأبعاد ، عندما ينغمس في الماء ، يطوى إلى مكعب. لطباعة مختبر التجميع الذاتي ، يتم استخدام طابعة Stratasys Objet260 Connex1 ، مما يتيح لك العمل باستخدام مواد مختلفة (بما في ذلك المطاط والمطاط والبولي بروبيلين).
ابتكر المختبر العديد من المنتجات المتنوعة التي يمكن أن تتخذ بشكل مستقل الشكل المطلوب أو التجميع الذاتي. أظهروا أربطة الحذاء التي ربطت أنفسهم وقطع الأثاث التي تتكشف من تلقاء نفسها.
الدفاع الفضائي
باستخدام الطباعة رباعية الأبعاد ، قام مهندسو ناسا
بإنشاء نسيج معدني لحماية الأقمار الصناعية من التلف والإشعاع ، وكذلك لإنتاج هوائيات مرنة. النسيج هو نوع من "سلسلة البريد" التي تم إنشاؤها من قطع من الفضة والمعادن الأخرى. يمكن أن تكون المادة عازمة ومتكررة وممتدة ومضغوطة بشكل متكرر. كل جانب من القماش له خصائصه الخاصة ، ويعكس أو يمتص الضوء والحرارة. على الرغم من مرونته ، من الصعب للغاية تمزق القماش. من المخطط أن تحزم الأقمار الصناعية في المواد الواقية قبل إطلاقها في الفضاء ، أو بمساعدتها ستحمي بدلات الفضاء والوحدات الصالحة للسكن.
تكنولوجيا للجيش
حصل المعهد الدولي لتقنية النانو بجامعة نورث وسترن على منحة مدتها خمس سنوات من وزارة الدفاع الأمريكية لتطوير طابعة رباعية الأبعاد.
سيتم استخدام الطابعة ذات الأبعاد الأربعة للبحث في الكيمياء وعلوم المواد والمجالات ذات الصلة بالدفاع. من المفترض أن الطباعة رباعية الأبعاد ستسمح بإنشاء أجهزة استشعار وهياكل ومواد كيميائية وبيولوجية جديدة للرقائق الدقيقة.
في الوقت الحالي ، يتم إعاقة التقدم بسبب عدم وجود معدات رخيصة الثمن قادرة على الطباعة بدقة عالية جدًا (حوالي 1000 مرة أقل من سمك شعرة الإنسان) مصنوعة من المواد الصلبة (المعادن وأشباه الموصلات) والمواد اللينة (على سبيل المثال ، العضوية).
ستصبح طابعة رباعية الأبعاد أساسًا لجيل جديد من الأدوات لتطوير البنى ، حيث يمكن دمج المواد التي تشكل المكونات الوظيفية للإلكترونيات مع الكائنات البيولوجية.
تشكيل الذاكرة
يتم استعادة نموذج البوليمر المطبوع على طابعة 4D بعد التشوه.في عام 2013 ، طور باحثون من جامعة كولورادو تقنية طباعة رباعية الأبعاد من خلال دمج ألياف البوليمر مع "تأثير ذاكرة الشكل" في المواد المركبة المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية. كأمثلة على تطبيق التكنولوجيا ، تم استدعاء البطاريات الشمسية القادرة على الطي والتكشف للنقل ، وطلاء السيارات التي تتكيف مع البيئة ، وكذلك الزي العسكري الذي يغير نوع التمويه أو يحمي بشكل أكثر فعالية من الغاز أو الشظايا.
بعد ثلاث سنوات ،
طور فريق مشترك من العلماء من جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد جورجيا للتكنولوجيا
طريقة طباعة جديدة رباعية الأبعاد تعتمد على التعرض للمواد الحساسة للضوء مع الضوء. تقنية الطباعة الجديدة قادرة على إنشاء عناصر سميكة مثل شعر الإنسان.
تم صب محلول بوليمر حساس في الطابعة وتم عرض الكائن المطلوب طبقة تلو الأخرى ، ومعالجة المادة بالأشعة فوق البنفسجية. للتحقق من قدرة البوليمر على التعافي من التشوهات ، طبع الباحثون مناورًا ناعمًا مغلقًا في حالته الحرة. باستخدامها ، تمكن العلماء من التقاط الأشياء الصغيرة بنجاح (مثل البراغي).
بالفعل في هذه المرحلة ، يمكن تكييف تقنية مماثلة للاستخدام الحقيقي - على سبيل المثال ، إنشاء كبسولات تطلق المواد ذات درجة حرارة الجسم المتزايدة.
الطباعة في الطب
قام أطباء من مقاطعة شنشي في شمال غرب الصين
بإجراء عملية رغامية ناجحة ونادرة باستخدام تقنية الطباعة رباعية الأبعاد. قام الأطباء بإدخال
دعامة القصبة الهوائية الأنبوبية
إلى المريض لإبقاء المسالك الهوائية مفتوحة. لإنتاج الدعامة ، تم استخدام مادة بيوكابرولاكتون الحيوية ، والتي تتحلل بمرور الوقت - يحدث التحلل البيولوجي في جسم الإنسان ببطء ، حوالي 3 سنوات. حدد الأطباء مسبقًا وقت حل الدعامة المطبوعة ، ولن يحتاج المريض إلى الخضوع لعملية أخرى لإزالتها.
حدثت حالة مماثلة في الولايات المتحدة. ولد غاريت بيترسون مع تشوه في القصبات الهوائية - القصبات الهوائية ، عندما لا يكون الغضروف قويًا بما فيه الكفاية. ضعف التهوية القصبية ، وأمضى الطفل حياته كلها في مستشفى في جامعة يوتا على التهوية الاصطناعية للرئتين التي تدعم الحياة.
وفي الوقت نفسه ، في جامعة ميشيغان ، طوروا حافلة طباعة ثلاثية الأبعاد ، والتي يمكن أن تنهار في نهاية المطاف داخل الجسم دون أي عواقب ، ولكن في نفس الوقت يمكن أن تبقي المسالك الهوائية مفتوحة لمدة سنتين إلى ثلاث سنوات - بما يكفي لاستعادة الغضروف القصبي.
بعد إنشاء نموذج افتراضي ، تقوم الطابعة بطباعة طبقات البولي كبرولاكتون في شكل قصبة هوائية معينة. على الرغم من أن عملية إنشاء الدعامات الفردية قد تبدو صعبة ، إلا أنها تستغرق يومًا واحدًا فقط.
من المرجح أن المواد الحيوية 4D ستتجاوز عاجلاً أم آجلاً أمراض الجهاز التنفسي. يتم بالفعل دراسة مشاكل إعادة بناء الوجه وإصلاح الأذن.
* * *
بشكل عام ، فإن غالبية العلماء العاملين في مجال الطباعة رباعية الأبعاد يتنبأون بالنمو المتفجر للأشياء والمواد للطباعة رباعية الأبعاد في السنوات الخمس القادمة.