Habituellement, 4D signifie un espace à quatre dimensions dans lequel il y a des objets à quatre dimensions - un tesseract, un icocitrachor (n'a pas d'analogues dans le monde à trois dimensions) et similaires. Il y a quelques années, le terme 4D était utilisé pour désigner une technologie spéciale pour imprimer des objets qui changent leurs caractéristiques au fil du temps. Ainsi, en impression 4D, le «quatrième» n'est pas appelé la mesure, mais le paramètre auquel la position (éventuellement la fonction) de l'objet est associée.
La technologie d'impression 4D n'est guère révolutionnaire par rapport à l'impression 3D conventionnelle - un objet est créé couche par couche de la même manière. La chose la plus intéressante se produit plus tard, lorsque l'élément fini commence à changer. Et ici, tout dépend du matériau utilisé dans l'imprimante. Les matériaux spéciaux changent sous l'influence de l'eau, de la chaleur, de la lumière, des contraintes mécaniques et peuvent également être programmés pour certaines actions.
Voyons pourquoi l'impression 4D est nécessaire et à quoi ressemble un monde construit sur la base de choses qui changent leur forme et leur comportement.
Voitures du futur
L'année dernière, BMW a présenté à quoi ressembleraient les voitures du futur. Le concept n'était pas sans l'utilisation de 4D. Tel que conçu par les ingénieurs, la carrosserie se compose de sections triangulaires mobiles imprimées sur une imprimante 4D. De telles pièces auront une fonctionnalité intégrée, qui est maintenant réalisée en libérant différentes pièces et en assemblant un mécanisme.
Grâce à l'utilisation de matériaux spéciaux aux caractéristiques similaires à celles de la fibre de carbone, chaque section dès le moment de la production aura des fonctions programmées. Par exemple, la majeure partie de la couverture servira à des niches de roues conçues pour une meilleure aérodynamique. Pendant le virage, les sections triangulaires s'étirent et les pneus ne frottent pas contre les arches.
Une démonstration visuelle des capacités du concept-car, créé à l'aide de l'impression en quatre dimensions:
Changement de forme au contact de l'eau
Une équipe de scientifiques de l'Université Harvard a attiré l'attention sur les plantes qui réagissent et changent de forme en réponse aux stimuli environnementaux. Des structures composites d'hydrogel ont été développées qui changent de forme lorsqu'elles sont immergées dans l'eau.
L'objet en forme de fleur d'orchidée a été imprimé avec des encres composites d'hydrogel contenant des fibres de cellulose spécifiquement dirigées. Pour donner aux fibres de bois la direction souhaitée, elles ont été mélangées avec de l'hydrogel d'acrylamide. Lorsqu'elle est immergée dans l'eau, la substance résultante change ses dimensions géométriques d'une manière prédéterminée.
Les encres composites vous permettent d'obtenir des produits de formes diverses. De plus, il est possible de modifier la composition du matériau pour obtenir certaines propriétés, par exemple la conductivité électrique ou la biocompatibilité.
Des chercheurs du laboratoire d'auto-assemblage du Massachusetts Institute of Technology ont développé un modèle 2D qui, une fois immergé dans l'eau, se replie en cube. Pour l'impression Self-Assembly Lab, l'imprimante Stratasys Objet260 Connex1 est utilisée, vous permettant de travailler avec différents matériaux (y compris du caoutchouc et du polypropylène).
Le laboratoire a créé de nombreux produits divers qui peuvent indépendamment prendre la forme souhaitée ou s'auto-assembler. Ils ont montré des lacets qui se lacent et des meubles qui se déplient tout seuls.
DĂ©fense spatiale
En utilisant l'impression 4D, les ingénieurs de la NASA ont
créé un tissu métallique pour protéger les satellites contre les dommages et les radiations, ainsi que pour produire des antennes flexibles. Le tissu est une sorte de «cotte de mailles» créée à partir de pièces d'argent et d'autres métaux. Le matériau peut être plié, déplié, étiré et comprimé à plusieurs reprises. Chaque côté du tissu a ses propres propriétés, réfléchit ou absorbe la lumière et la chaleur. Malgré sa flexibilité, le tissu est extrêmement difficile à déchirer. Il est prévu que les satellites s’emballent dans le matériel de protection avant leur lancement dans l’espace ou, avec son aide, ils protègent les combinaisons spatiales et les modules habitables.
Technologie pour l'armée
L’Institut international de nanotechnologie de la Northwestern University a reçu une subvention de cinq ans du département américain de la Défense pour développer une imprimante 4D. L'imprimante à quatre dimensions
sera utilisée pour la recherche en chimie, science des matériaux et dans les domaines liés à la défense. On suppose que l'impression 4D permettra la création de nouveaux capteurs, structures et matériaux chimiques et biologiques pour les micropuces.
Actuellement, les progrès sont entravés par le manque d'équipements peu coûteux capables d'imprimer en ultra-haute résolution (environ 1000 fois moins que l'épaisseur d'un cheveu humain) à partir de matériaux durs (métaux et semi-conducteurs) et de matériaux mous (par exemple, organiques).
Une imprimante quadridimensionnelle deviendra la base d'une nouvelle génération d'outils pour le développement d'architectures, dans lesquelles les matériaux formant les composants fonctionnels de l'électronique peuvent être combinés avec des objets biologiques.
MĂ©moire de forme
Le modèle polymère imprimé sur une imprimante 4D est restauré après déformation.En 2013, des chercheurs de l'Université du Colorado ont développé une technique d'impression 4D en incorporant des fibres polymères à «effet mémoire de forme» dans des matériaux composites utilisés dans l'impression 3D traditionnelle. Comme exemples d'application de la technologie, des batteries solaires capables de se plier et de se déplier pour le transport, des revêtements automobiles qui s'adaptent à l'environnement, ainsi qu'un uniforme militaire qui change le type de camouflage ou protège plus efficacement contre les gaz ou les fragments, ont été appelés.
Trois ans plus tard, une équipe conjointe de scientifiques de l'Université de technologie et de design de Singapour, du MIT et du Georgia Institute of Technology a
développé une nouvelle méthode d'impression 4D basée sur l'exposition à des matériaux photosensibles à la lumière. Une nouvelle technique d'impression est capable de créer des éléments aussi épais qu'un cheveu humain.
Une solution de polymère photosensible a été versée dans l'imprimante et l'objet souhaité a été projeté couche par couche, traitant le matériau avec une lumière ultraviolette. Pour vérifier que le polymère est capable de récupérer des déformations, les chercheurs ont imprimé un manipulateur souple, qui est fermé à l'état libre. Avec cela, les scientifiques ont réussi à capturer de petits objets (tels que des vis).
Déjà à ce stade, une technologie similaire peut être adaptée pour une utilisation réelle - par exemple, créer des capsules qui libèrent des substances avec une température corporelle croissante.
L'impression en médecine
Des médecins de la province du Shaanxi, dans le nord-ouest de la Chine, ont
effectué une opération trachéale réussie et rare en utilisant la technologie d'impression en quatre dimensions. Les médecins ont inséré un
stent tubulaire trachéal
dans le patient pour garder les voies respiratoires ouvertes. Pour la production de stent, du biomatériau de polycaprolactone a été utilisé, qui se dissout avec le temps - la biodégradation dans le corps humain se produit lentement, environ 3 ans. Les médecins ont prédéterminé le temps de dissolution du stent imprimé et le patient n'aura pas besoin de subir une autre opération pour le retirer.
Un cas similaire
s'est produit aux États-Unis. Garrett Peterson est né avec une malformation des bronches - bronchomalacie, lorsque le cartilage n'est pas assez dur. La ventilation bronchique était altérée et l'enfant a passé toute sa vie dans un hôpital de l'Université de l'Utah à la ventilation artificielle des poumons qui soutiennent la vie.
Pendant ce temps, à l'Université du Michigan, ils ont développé un bus d'impression en trois dimensions, qui pourrait éventuellement s'effondrer à l'intérieur du corps sans aucune conséquence, mais en même temps pourrait garder les voies respiratoires ouvertes pendant deux à trois ans - suffisamment pour restaurer le cartilage bronchique.
Après avoir créé un modèle virtuel, l'imprimante imprime des couches de polycaprolactone sous la forme d'une trachée spécifique. Bien que le processus de création de stents individuels puisse sembler difficile, il ne prend qu'une journée.
Il est probable que les biomatériaux 4D iront tôt ou tard bien au-delà des maladies respiratoires. Les problèmes de reconstruction faciale et de réparation des oreilles sont déjà à l'étude.
* * *
En général, la majorité des scientifiques travaillant dans le domaine de l'impression en quatre dimensions prédisent une croissance explosive des objets et des matériaux de l'impression en quatre dimensions au cours des cinq prochaines années.