In 4D là gì?

In 3D, còn được gọi là sản xuất bồi đắp , biến các bản thiết kế kỹ thuật số thành vật thể vật lý bằng cách xây dựng chúng từng lớp. In 4D là thế hệ tiếp theo của công nghệ này. Bản in 4D cung cấp một cách cơ học hơn để lập trình những thứ chúng ta tương tác trong cuộc sống hàng ngày nhưng ít phụ thuộc hơn vào kỹ thuật số hoặc hệ thống máy tính. Cơ sở của in 4D đơn giản yêu cầu đối tượng được in phải bao gồm hai thứ: một phần có thể được điều khiển bởi các kích thích bên ngoài (hoặc “bộ kích hoạt”) và một phần khác đóng vai trò là vật mang cho phép phần đầu tiên được in 3D.

Nguồn gốc

Bạn thực sự không thể xác định chính xác việc in 4D do ai phát minh. Trong những trường hợp đầu tiên về những gì được chấp nhận hiện nay là in 4D, các nhà nghiên cứu đã tận dụng khả năng tạo mẫu nhanh của in 3D để tạo ra các vật liệu có khả năng phản hồi nhanh. Một số lượng lớn các dự án nghiên cứu xung quanh việc phát triển các vật liệu đáp ứng hoặc thông minh đã được tiến hành vào cuối những năm 1990.

Năm 2003, Yasuyuki Sakai tại Đại học Tokyo đã sử dụng một kỹ thuật tương tự như máy in li-tô lập thể (SLA) hiện có để in 3D một loại polyme thay đổi (hòa tan) khi tiếp xúc với tia UV . Ứng dụng này được sử dụng để tạo ra các kênh trong vật liệu với mục đích tạo ra vật liệu tương tự như mô sống. Trước đây, các loại hydrogel khác đã được tạo ra có thể phản ứng với độ pH, ánh sáng, điện tích và nhiệt độ vào những năm 90, nhưng đây là trường hợp đầu tiên chúng ta có thể tìm thấy bằng cách sử dụng máy in 3D tự chế để làm được điều đó.

Thuật ngữ “in 4D” được đặt ra vào năm 2012 như một cách sử dụng chiến lược của in sinh học, một kỹ thuật được phát triển để in hydrogel sau khi máy in 3D ngày càng phổ biến. Ngày nay, in 4D thường được hiểu là một loại vật liệu thông minh được tạo ra trên máy in 3D. Việc phổ biến định nghĩa này phần lớn là nhờ công của người tạo ra Phòng thí nghiệm tự lắp ráp Skylar Tibbits của MIT.

In 4D

Bạn có thể đã gặp phải sự thay đổi không mong muốn trong bản in 3D của chính mình – ví dụ: khi bạn đang in bằng ABS và bộ phận bắt đầu cong vênh ở giữa bản in. Sự thay đổi này xảy ra theo thời gian do phản ứng với nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc bàn in quá thấp. Khái niệm in 4D là kiểm soát thời điểm và cách thức những thay đổi đó xảy ra.

Trong máy in FDM và nhựa, toàn bộ quá trình thường dựa trên những thay đổi đối với vật liệu in xảy ra do phản ứng với nhiệt và tia UV. Những kích thích này, còn được gọi là cơ chế kích hoạt, làm cho vật liệu giữ được hình dạng mong muốn dưới nhiệt độ môi trường. Trong FDM, sự thay đổi do nhiệt gây ra có thể được đảo ngược, do đó, một bộ phận có thể được “lập trình” để làm mềm ở nhiệt độ kích hoạt nhất định, như điểm chuyển tiếp thủy tinh hoặc tan chảy ở điểm nóng chảy.

Nói chung, kết quả của việc in 4D là một chuyển động, nhưng các nhà nghiên cứu cũng đã thiết kế các phản ứng khác, chẳng hạn như sau:

• Giải phóng hóa chất
• Mở hoặc đóng mạch
• Những thay đổi về diện tích bề mặt hoặc mật độ, có thể quyết định liệu một vật thể nổi hay chìm, dính hay tách ra
• Thay đổi về màu sắc và độ trong suốt
• Tăng cường hoặc làm suy yếu vật liệu

Tóm lại, in 4D tạo ra các đối tượng được lập trình thực thi “mã” in 3D của chúng khi tiếp xúc với các kích hoạt và những thay đổi được lập trình có thể được quan sát và định lượng theo thời gian.

Các Yếu Tố Kích Hoạt và Vật Liệu

Nước

Nước có khả năng làm cho một số chất như mỡ và dầu tạo thành giọt hoặc hình cầu khi tiếp xúc. Điều này tối ưu hóa diện tích tiếp xúc và năng lượng giữa nước và các chất khác, làm cho nó quan trọng cho sự tồn tại của các cấu trúc như RNA, DNA và tế bào.

Hydrogels là một loại vật liệu có khả năng phản ứng với nước và đã được ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày, như trong kính áp tròng, sản phẩm vệ sinh, hoặc băng bó vết thương. Hydrogels có khả năng sưng hoặc co lại khi tiếp xúc với nước, và điều này đã được sử dụng để tạo ra các sản phẩm thông minh, như van mở đóng.

Chúng đã được nghiên cứu trong hơn ba thập kỷ và có khả năng phản ứng với nhiều yếu tố khác ngoài nước. Nước vẫn đóng vai trò quan trọng trong cách hydrogels phản ứng trong các tình huống khác nhau.

Tia cực tím (UV)

 

Ánh sáng tia cực tím có khả năng làm cho vật liệu thông minh trở nên động lực. Nó có thể tạo nhiệt, kích thích phản ứng quang học hoặc tạo liên kết chéo trong các vật liệu. Cách này đơn giản là đặt vật liệu in 4D dưới ánh sáng mặt trời.

Các vật liệu phản ứng với tia cực tím mà nghiên cứu nhiều nhất cho ứng dụng in 4D bao gồm gel, nhựa epoxy và chất đàn hồi tinh thể lỏng (LCE). Khi chúng tiếp xúc với tia UV trong quá trình in 4D, chúng tạo ra cầu nối giữa các bộ phận chất lỏng khác nhau, làm cho chúng trở nên rắn chắc. Cấu trúc do các cầu tạo ra có thể ghi nhớ, cho phép vật thể trở lại hình dạng ban đầu sau khi bị uốn cong hoặc xoắn.

Thay đổi ánh sáng UV có thể tạo nhiệt để thay đổi hình dạng của vật thể in 4D. Nhiệt độ từ tia UV có thể làm cho các polyme mềm ra hoặc tan chảy, cho phép tạo ra các sản phẩm thông minh phức tạp, như các bông hoa tự đóng và mở.

Từ tính, dòng điện và điện từ

Sử dụng nam châm có thể là một lựa chọn tiềm năng trong in 4D. Nam châm đất hiếm tự nhiên thường không thích nghiệt với nhiệt độ, vì vậy chúng có thể được đặt vào các vật thể in 3D. Điều này cho phép vật thể in tương tác với kim loại hoặc các vật thể bằng kim loại, đồng thời tạo ra khả năng tương tác độc đáo.

Một vật thể in 4D có thể tạo nhiệt khi có dòng điện chạy qua, nhờ vào sự kết hợp của vật liệu dẫn điện và phản ứng nhiệt. Sợi FDM dẫn điện, bao gồm các vật liệu như graphene hoặc sợi carbon, có điện trở đủ cao để phát nhiệt khi dòng điện chạy qua. Khi kết hợp với các sợi khác có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh thấp, chẳng hạn như PLA, chúng có thể trở nên mềm. Ngoài ra, việc tạo ra sợi dẫn điện cũng tạo ra khả năng in 3D các đầu nối điện không cần hàn, tương tự như bảng mạch bánh mì.

Các vật liệu dẫn điện cũng tạo ra từ trường trực giao với dòng điện, gọi là hiện tượng điện từ. Điều này có thể hướng dòng điện của nam châm đất hiếm, mở ra khả năng in 3D các rơle và các thiết bị điện tử đơn giản khác.

Nghiên cứu và Ứng dụng Thương mại

Hydrogel

Hydrogel và công nghệ in 4D đang thu hút sự quan tâm trong lĩnh vực nghiên cứu và các ứng dụng thương mại. Các nghiên cứu tiên tiến của các tổ chức như Viện Wyss của Harvard và Đại học Wollongong đang mở ra tiềm năng sử dụng hydrogel in 4D trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe.

Một trong những ứng dụng tiềm năng của hydrogel in 4D là miếng dán tim có khả năng thay thế các mô bị tổn thương và hỗ trợ quá trình tự sửa chữa của tim sau cơn đau tim. Các nhà nghiên cứu tại Đại học George Washington đã thành công trong việc tạo ra một miếng vá in 4D có khả năng điều chỉnh hình dạng và tham gia vào quá trình tái tạo mô cơ tim.

Tuy nhiên, mặc dù có sự quan tâm và nỗ lực nghiên cứu lớn, thị trường hiện vẫn thiếu các sản phẩm thương mại được sản xuất bằng công nghệ in 4D. Mặc dù in 3D đã có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, in 4D vẫn đang trong quá trình phát triển và chưa có sự thâm nhập rộng rãi.

Nhựa in thông mình FDM

Có sự phát triển liên tục của các sợi FDM có tính năng 4D trong ngành in 3D, và các sản phẩm có sẵn ngày càng phổ biến.

Ví dụ, Scion Research đã phát triển các sợi tóc 4D linh hoạt có khả năng thay đổi màu từ đen sang vàng khi nhiệt độ thay đổi. Các sản phẩm tương tự cũng được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất dây tóc, và Hatchbox cung cấp các sợi tóc có khả năng thay đổi màu khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

Nhiều loại sợi chức năng mới và độc đáo khác có thể sẽ sớm được giới thiệu lên thị trường. Ví dụ, Đại học Stuttgart đã thiết kế các sợi phản ứng với độ ẩm để in 4D. Các sản phẩm in bằng các loại sợi này có khả năng co giãn, kéo dài và thay đổi hình dạng theo thiết kế để phản ứng với độ ẩm trong không khí

. Đồng thời, tại Đại học Purdue, có nghiên cứu đang chờ cấp bằng sáng chế cho phép các hạt cảm biến hoạt động như máy đo biến dạng được thêm vào các loại sợi.

Thiết bị chức năng, máy in và chiến lược

Có một loạt các phát triển và dự án trong lĩnh vực in 4D, và hầu hết chúng đang tận dụng các phương pháp in 3D hiện có. Các kỹ thuật in 3D như in sinh học, phun mực, thiêu kết laser, FDM và in nhựa đang được kết hợp và sửa đổi để tạo ra vật liệu in 4D. Dưới đây là một số ví dụ:

• Đại học Công nghệ và Thiết kế Singapore đã phát triển quy trình tích hợp nhiều phương pháp in 3D thành một. Sử dụng máy in 3D đa vật liệu cho phép họ đưa nhiều loại vật liệu vào bản in 4D.
• Đại học George Washington đã nghiên cứu kỹ thuật in sinh học 4D để tạo ra “cấu trúc thông minh” đa phản ứng cho việc tái tạo dây thần kinh, sử dụng máy in SLA và vật liệu lai graphene.
• Đại học Công nghệ Dresden đã phát triển phương pháp in 3D sợi TPU trộn với các hạt sắt dưới tác động từ trường, tạo ra hành vi từ tính trong sản phẩm in.
• Bang Bắc Carolina đã sử dụng gel dẫn điện để tạo ra các thiết bị 4D dẫn điện được in phun.
• Đại học Công nghệ Eindhoven đã phát triển phần mềm Perflex để tạo ra các loại vải có khả năng giãn nở được in 3D để giảm lãng phí trong ngành thời trang.
• Phòng thí nghiệm tự lắp ráp của MIT đang phát triển phần mềm thiết kế in 4D và phần mềm mô phỏng 4D.
• Trung tâm Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ đã phối hợp với nhiều tổ chức để tạo ra một loại vải độc quyền có khả năng thay đổi màu sắc, thấm nước khi nhiệt độ thay đổi và cứng lại về mặt cấu trúc dưới tác động của ngoại lực. Hy vọng rằng các sản phẩm này sẽ đến với công chúng trong tương lai.

Ứng dụng theo sở thích

Việc tạo bản in 4D tại nhà có thể khá phức tạp và đòi hỏi quyền truy cập vào máy in đòi hỏi cả máy in sinh học, máy in đùn kép hoặc máy in 3D nâng cấp đa vật liệu. Một cách tiếp cận tiềm năng cho người tạo bản in 4D tại nhà là thông qua việc lắp ráp các vật liệu như sợi dây và origami hoạt động.

Ví dụ, Phòng thí nghiệm Tự lắp ráp của MIT đã phát triển các dự án dựa trên chuỗi tự lắp ráp, trong đó video thường mô tả quá trình in 3D của các khớp có khả năng gập lại thành khối 3D sau một thời gian. Các khớp này được tạo bằng nhiều loại vật liệu, có khả năng thay đổi tương quan giữa tính ưa nước và ghét nước.

Khi đưa vào nước, mặt ưa nước có thể giãn ra hoặc uốn cong để chạm vào nước, trong khi mặt ghét nước có thể co lại hoặc uốn cong để tránh nước. Bằng cách thiết kế và lắp ráp các khớp này dựa trên các đường uốn dự kiến, một đối tượng 2D có thể biến thành vật 3D.

Sản phẩm cuối cùng được in bằng PLA, TPU và sợi nhựa hỗ trợ có thể phân hủy.

Dự án DIY khả thi

Có nhiều cách khác nhau mà người làm thủ công có thể tham gia vào hoạt động origami hiện có. Đối với những người có kiến thức về Python và quan tâm đến gia công CNC hoặc in sợi nhựa linh hoạt, họ có thể xem xét việc tạo các cấu trúc tự lắp ráp từ 2D thành 3D. Dự án này dựa trên công trình của Phòng thí nghiệm Vật liệu Thông minh có Kiến trúc tại Đại học Houston và được gọi là “cấu trúc bề mặt phụ trợ có thể kết hợp được.” Mã cơ sở của dự án này có thể được tìm thấy trên GitHub.