Normalmente, 4D significa um espaço quadridimensional no qual existem objetos quadridimensionais - um tesserato, um icocitrômetro (não tem análogos no mundo tridimensional) e similares. Há alguns anos, o termo 4D era usado para se referir a uma tecnologia especial para imprimir objetos que mudam suas características ao longo do tempo. Assim, na impressão 4D, o “quarto” não é chamado de medição, mas o parâmetro ao qual a posição (possivelmente a função) do objeto está associada.
A tecnologia de impressora 4D não é revolucionária em comparação com a impressão 3D convencional - um objeto é criado camada por camada da mesma maneira. A coisa mais interessante acontece depois, quando o item final começa a mudar. E aqui tudo depende do material usado na impressora. Os materiais especiais mudam sob a influência de água, calor, luz, estresse mecânico e também podem ser programados para determinadas ações.
Vamos ver por que a impressão em 4D é necessária e como é um mundo construído com base em coisas que mudam de forma e comportamento.
Carros do futuro
No ano passado, a BMW apresentou como seriam os carros do futuro. O conceito não ficou isento do uso de 4D. Conforme concebido pelos engenheiros, o corpo do carro consiste em seções triangulares móveis impressas em uma impressora 4D. Tais peças terão funcionalidade integrada, que agora é obtida liberando peças diferentes e montando um mecanismo a partir delas.
Graças ao uso de materiais especiais semelhantes em características à fibra de carbono, cada seção do momento da produção terá funções programadas. Por exemplo, a maior parte da cobertura servirá de nichos de rodas projetados para melhorar a aerodinâmica. Durante a curva, as seções triangulares se esticam e os pneus não esfregam nos arcos.
Uma demonstração visual dos recursos do carro-conceito, criada usando a impressão em quatro dimensões:
Mudança de forma em contato com a água
Uma equipe de cientistas da Universidade de Harvard chamou a atenção para plantas que reagem e mudam de forma em resposta a estímulos ambientais. Estruturas compostas de hidrogel foram desenvolvidas que mudam de forma quando imersas em água.
O objeto em forma de flor da orquídea foi impresso com tintas compostas de hidrogel contendo fibras de celulose direcionadas especificamente. Para dar às fibras de madeira a direção desejada, elas foram misturadas com hidrogel de acrilamida. Quando imersa em água, a substância resultante altera suas dimensões geométricas de maneira predeterminada.
As tintas compostas permitem obter produtos de várias formas. Além disso, é possível alterar a composição do material para obter certas propriedades, por exemplo, condutividade elétrica ou biocompatibilidade.
Pesquisadores do Laboratório de Auto-Montagem do Instituto de Tecnologia de Massachusetts desenvolveram um modelo 2D que, quando imerso em água, se dobra em um cubo. Para imprimir o laboratório de montagem automática, é usada a impressora Stratasys Objet260 Connex1, permitindo trabalhar com vários materiais (incluindo borracha e polipropileno).
O laboratório criou muitos produtos diversos que podem assumir independentemente a forma desejada ou se auto-montar. Eles mostraram cadarços que se prendem e móveis que se desdobram por conta própria.
Defesa espacial
Usando a impressão 4D, os engenheiros da NASA
criaram um tecido metálico para proteger os satélites contra danos e radiação, além de produzir antenas flexíveis. O tecido é uma espécie de "cota de malha" criada a partir de pedaços de prata e outros metais. O material pode ser dobrado repetidamente, não dobrado, esticado e comprimido. Cada lado do tecido tem suas próprias propriedades, reflete ou absorve luz e calor. Apesar de sua flexibilidade, o tecido é extremamente difícil de rasgar. Está previsto que os satélites sejam compactados no material de proteção antes de serem lançados no espaço ou, com sua ajuda, protegerão os trajes espaciais e os módulos habitáveis.
Tecnologia para militares
O Instituto Internacional de Nanotecnologia da Northwestern University recebeu uma concessão de cinco anos do Departamento de Defesa dos EUA para desenvolver uma impressora 4D. A impressora quadridimensional
será usada para pesquisas em química, ciência de materiais e em áreas relacionadas à defesa. Supõe-se que a impressão em 4D permitirá a criação de novos sensores, estruturas e materiais químicos e biológicos para microchips.
Atualmente, o progresso está sendo dificultado pela falta de equipamento barato, capaz de imprimir com resolução ultra-alta (cerca de 1000 vezes menos que a espessura de um cabelo humano), feito de materiais duros (metais e semicondutores) e materiais macios (por exemplo, orgânicos).
Uma impressora quadridimensional se tornará a base de uma nova geração de ferramentas para o desenvolvimento de arquiteturas, nas quais os materiais que formam os componentes funcionais da eletrônica podem ser combinados com objetos biológicos.
Memória de forma
O modelo de polímero impresso em uma impressora 4D é restaurado após a deformação.Em 2013, pesquisadores da Universidade do Colorado desenvolveram uma técnica de impressão 4D incorporando fibras de polímero com um "efeito memória de forma" em materiais compostos usados na impressão 3D tradicional. Como exemplos da aplicação da tecnologia, foram chamadas baterias solares capazes de dobrar e desdobrar para transporte, revestimentos automotivos que se adaptam ao meio ambiente, além de um uniforme militar que altera o tipo de camuflagem ou protege mais eficazmente os gases ou fragmentos.
Três anos depois, uma equipe conjunta de cientistas da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura, do MIT e do Instituto de Tecnologia da Geórgia,
desenvolveu um novo método de impressão 4D baseado na exposição a materiais fotossensíveis à luz. Uma nova técnica de impressão é capaz de criar elementos tão grossos quanto um cabelo humano.
Uma solução de polímero fotossensível foi derramada na impressora e o objeto desejado foi projetado camada por camada, processando o material com luz ultravioleta. Para verificar se o polímero é capaz de se recuperar de deformações, os pesquisadores imprimiram um manipulador flexível, que é fechado em seu estado livre. Com isso, os cientistas conseguiram capturar com sucesso pequenos objetos (como parafusos).
Já nesta fase, uma tecnologia semelhante pode ser adaptada para uso real - por exemplo, crie cápsulas que liberam substâncias com o aumento da temperatura corporal.
Impressão em medicina
Médicos da província de Shaanxi, no noroeste da China,
realizaram uma operação traqueal bem-sucedida e rara, usando a tecnologia de impressão quadridimensional. Os médicos inseriram um
stent traqueal tubular
no paciente para manter as vias aéreas abertas. Para a produção de stents, foi utilizado o biomaterial de policaprolactona, que se dissolve com o tempo - a biodegradação no corpo humano ocorre lentamente, cerca de 3 anos. Os médicos pré-determinaram o tempo de dissolução do stent impresso e o paciente não precisará se submeter a outra operação para removê-lo.
Um caso semelhante
ocorreu nos Estados Unidos. Garrett Peterson nasceu com uma malformação dos brônquios - broncomalácia, quando a cartilagem não é suficientemente dura. A ventilação brônquica foi prejudicada e a criança passou a vida inteira em um hospital da Universidade de Utah com ventilação artificial dos pulmões que sustentam a vida.
Enquanto isso, na Universidade de Michigan, eles desenvolveram um ônibus de impressão tridimensional, que poderia eventualmente entrar em colapso dentro do corpo sem consequências, mas ao mesmo tempo manter as vias aéreas abertas por dois a três anos - o suficiente para restaurar a cartilagem brônquica.
Após criar um modelo virtual, a impressora imprime camadas de policaprolactona na forma de uma traqueia específica. Embora o processo de criação de stents individuais possa parecer difícil, leva apenas um dia.
É provável que os biomateriais 4D, mais cedo ou mais tarde, vão muito além das doenças respiratórias. Os problemas de reconstrução facial e reparo auditivo já estão sendo estudados.
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Em geral, a maioria dos cientistas que trabalham no campo da impressão quadridimensional prevê um crescimento explosivo de objetos e materiais da impressão quadridimensional nos próximos cinco anos.