Max Home IndustryИсследователи Техасского университета в Арлингтоне разработали методику преобразования 2D-материалов в сложные 3D-формы.
Целью работы является создание синтетических материалов, которые могут имитировать расширение и сокращение мягких тканей живых организмов и, таким образом, достижение сложных трехмерных движений и функций. Программирование тонких листов или двумерных материалов для преобразования в трехмерные формы может позволить использовать новые технологии для мягкой робототехники, развертываемых систем и производства биомиметиков, которые производят синтетические продукты, имитирующие биологические процессы.
Кёнсук Юм, доцент кафедры материаловедения и инженерии, и его команда разработали методику программирования 2D-материалов для 3D-форм. Это позволяет команде печатать 2D-материалы, закодированные с пространственно контролируемым ростом или сжатием в плоскости, которые могут трансформироваться в запрограммированные 3D-структуры.
Их исследование, проведенное при поддержке премии Национального научного фонда в области развития ранней карьеры, которую Yum получил в 2019 году, было опубликовано в январе в Nature Communications .
«В биологических системах существует множество трехмерных двухмерных материалов, которые выполняют различные функции, — сказал Юм. «Биологические организмы часто достигают сложной трехмерной морфологии и движения мягких тонких тканей, пространственно контролируя их расширение и сжатие. Такие биологические процессы вдохновили нас на разработку метода, который программирует двумерные материалы с пространственно контролируемым ростом в плоскости для создания трехмерных форм и движений. «
Вдохновленные этим, исследователи разработали подход, который может уникальным образом создавать трехмерные структуры с двоякоизогнутой морфологией и движениями, которые обычно наблюдаются в живых организмах, но трудно воспроизвести с использованием материалов, созданных человеком.
Они могли создавать трехмерные структуры в форме автомобилей, скатов и человеческих лиц. Чтобы физически реализовать концепцию программирования 2D-материалов, они использовали метод цифровой световой 4D-печати, разработанный Yum и опубликованный в Nature Communications в 2018 году.
«Наш процесс 2D-печати позволяет одновременно печатать несколько 2D-материалов, закодированных с индивидуально настроенными рисунками, и преобразовывать их по запросу и параллельно с запрограммированными 3D-структурами», — сказал Амирали Ноджоми, бывший аспирант Yum и первый автор статьи. «С технологической точки зрения наш подход является масштабируемым, настраиваемым и развертываемым, и он потенциально может дополнять существующие методы 3D-печати».
Исследователи также представили концепцию уплощения конуса, при которой они программируют 2D-материалы, используя поверхность конуса, чтобы увеличить доступное пространство для 3D-форм. Чтобы решить проблему выбора формы, они разработали модули управления формой в программировании 2D-материалов, которые управляют направлением морфинга формы в сторону целевых 3D-форм. Их гибкий процесс 2D-печати также позволяет создавать многоматериальные 3D-структуры.
«Инновационные исследования доктора Яма имеют множество потенциальных применений, которые могут изменить наш взгляд на мягкие инженерные системы», — сказал Статис Мелетис, председатель отдела материаловедения и инженерии. «Его новаторская работа поистине новаторская».