Την προηγούμενη δεκαετία, η επιστημονική και τεχνολογική πρόοδος στην κατανόηση της συμπεριφοράς, της δομής και των ιδιοτήτων των υλικών έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη έξυπνων υλικών. Αυτά τα υλικά έχουν την ικανότητα να μεταβάλλουν τη συμπεριφορά τους ή ορισμένα χαρακτηριστικά τους (σχήμα, ιδιοσυχνότητα, συντελεστής απόσβεσης δονήσεων) με δεδομένο και ελεγχόμενο τρόπο, μέσω μιας διέγερσης. Για παράδειγμα, τα έξυπνα αντικείμενα θα μπορούν να αυτο-συναρμολογηθούν και να αλλάξουν σχήμα, όταν έρχονται αντιμέτωπα με μια αλλαγή στο περιβάλλον τους.
Σύμφωνα με έκθεση της Royal Society, μερικά από τα έξυπνα υλικά που αναπτύσσονται περιλαμβάνουν ρούχα που προσαρμόζονται στις περιβαλλοντικές συνθήκες και αυτοθεραπευόμενα σκυροδέματα. «Τα υλικά αυτά θα μπορούσαν να αλλάξουν ριζικά όλες τις πτυχές της ζωής μας», έγραψαν οι συντάκτες της έκθεσης.
Το σημαντικό είναι ότι δεν πρόκειται για αυτόνομα συστήματα που αποτελούνται από εξελιγμένα ηλεκτρονικά και ρομποτικά συστήματα. Αντίθετα, η ικανότητα να αντιλαμβάνονται ερεθίσματα και να ανταποκρίνονται κατάλληλα, είναι προ-προγραμματισμένη στο σχεδιασμό ενός και μόνο υλικού.
Εκτύπωση του μέλλοντος
Οι επιστήμονες που αναπτύσσουν έξυπνα υλικά θα πρέπει να υπερπηδήσουν πολλά εμπόδια προτού μπορέσουν να αξιοποιήσουν πλήρως τις δυνατότητές τους, συμπεριλαμβανομένου του καλύτερου τρόπου κατασκευής τους.
Η χρήση τρισδιάστατων εκτυπωτών για την παραγωγή έξυπνων υλικών ονομάζεται τετραδιάστατη εκτύπωση (4D printing), όρος που επινόησε ο Skylar Tibbits, αρχιτέκτονας και επιστήμονας πληροφορικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στις ΗΠΑ, κατά τη διάρκεια ομιλίας του στο TED το 2013.
«Η τέταρτη διάσταση είναι ο χρόνος», είχε πει χαρακτηριστικά. «Εκτυπώνουμε τρισδιάστατα πράγματα που στη συνέχεια αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, αναδιαμορφώνονται, εξελίσσονται και προσαρμόζονται».
Η χρήση τρισδιάστατων εκτυπωτών για έξυπνα υλικά έχει πολλά από τα ίδια πλεονεκτήματα που έχει και για τα στατικά αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας κατασκευής εξατομικευμένων υλικών. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι η πρόσβαση σε τύπους υλικών που δεν είναι πρακτικά δυνατό να παραχθούν με άλλους τρόπους. «Είναι σχεδόν αδύνατο να κατασκευάσουμε τα έξυπνα υλικά χρησιμοποιώντας την συμβατική μέθοδο ή τουλάχιστον θα ήταν εξαιρετικά κουραστικό», εξηγεί στον ιστότοπο «Chemistry World» ο Jerry Qi, μηχανολόγος μηχανικός από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια στις ΗΠΑ.
Αυτή η ευκολία κατασκευής επιταχύνει την καινοτομία. «Στο παρελθόν, μόλις σχεδιάζαμε ένα έξυπνο υλικό, έπρεπε να βρούμε πώς θα το κατασκευάσουμε, κάτι που θα έπαιρνε πιθανώς μισό χρόνο για να το πετύχουμε» λέει ο Qi. Τώρα είναι δυνατό για τους ερευνητές να πάρουν στα χέρια τους ένα νέο πρωτότυπο μέσα σε λίγες ώρες αντί για μήνες από τον σχεδιασμό του.
Στεντ επόμενης γενιάς
Η χρήση τρισδιάστατων εκτυπωτών για την παραγωγή εξατομικευμένων στατικών αντικειμένων έχει ήδη καθιερωθεί στην υγειονομική περίθαλψη. Παραδείγματα περιλαμβάνουν εξατομικευμένα ψηφιακά ακουστικά βαρηκοΐας που προσαρμόζονται στο αυτί, τρισδιάστατα μοντέλα οργάνων και άλλων τμημάτων του ανθρώπινου σώματος, εξαρτήματα προσθετικών υλικών που ταιριάζουν απόλυτα με την ανατομία ενός ατόμου, αλλά και κατά παραγγελία εμφυτεύματα όπως σιαγόνες και γοφοί.
Συσκευές που μπορούν να αλλάξουν σχήμα μόλις βρεθούν μέσα στο ανθρώπινο σώμα χρησιμοποιούνται ήδη, αλλά κατασκευάζονται με παραδοσιακές μεθόδους. Για παράδειγμα, τα στεντ χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία καρδιακών προσβολών και στηθάγχης από τη δεκαετία του 1990. Ο Amir Zadpoor και η ομάδα του στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Delft στις Κάτω Χώρες χρησιμοποιούν την εκτύπωση 4D για να κατασκευάσουν στεντ επόμενης γενιάς. Στόχος τους είναι να δημιουργήσουν ένα έξυπνο πολυμερές στεντ που να συστέλλεται ανάλογα με τη θερμοκρασία του σώματος.
Αρχικά, η ομάδα κατασκεύασε ένα πρόσθετο για να το εκτυπώσει χρησιμοποιώντας εκτυπωτή τεχνολογίας FDM (Fuse Deposition Modelling). Το πρόσθετο μοιάζει με πλάστη και περιστρέφεται κατά τη διάρκεια της εκτύπωσης. Όταν ένα αντικείμενο εκτυπώνεται σε μια περιστρεφόμενη κυρτή και όχι στατική επιφάνεια, τα στρώματά του προσανατολίζονται διαφορετικά, επηρεάζοντας τη συμπεριφορά του κατά τη μετατόπιση του σχήματος.
Ικριώματα ιστών που μοιάζουν με Origami
Η ομάδα του Zadpoor επιδιώκει επίσης να χρησιμοποιήσει την 4D εκτύπωση για την παραγωγή ικριωμάτων μηχανικής ιστών επόμενης γενιάς. Αυτά τα δομικά ικριώματα εμφυτεύονται σε ασθενείς για να προωθήσουν την αναγέννηση οστών, μυών, νευρικών και άλλων ιστών. Η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει ήδη αποδειχθεί ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό εργαλείο για την παραγωγή εξατομικευμένων, εξαιρετικά πορωδών μεταλλικών πλεγμάτων για τον σκοπό αυτό. Σε αντίθεση με τα στεντ, τα ικριώματα αυτά έχουν σχεδιαστεί για να αλλάζουν σχήμα κατά τη διαδικασία κατασκευής, και όχι μέσα στο ανθρώπινο σώμα.
«Μπορούμε να διακοσμήσουμε αυτές τις επιφάνειες με πολύ μικρά γεωμετρικά χαρακτηριστικά που ονομάζουμε νανοσχέδια», εξηγεί ο ερευνητής. Τα νανοδιαγράμματα κατευθύνουν τα κύτταρα να γίνουν κύτταρα που σχηματίζουν οστά και δρουν για να μειώσουν την ανάπτυξη βακτηρίων. «Αυτές οι μικρές αιχμές λειτουργούν σαν μαχαίρι, διεισδύοντας στα βακτήρια και σκοτώνοντάς τα με μηχανικό τρόπο. Μπορούν επίσης να διαμορφώσουν τη συμπεριφορά των κυττάρων του ανοσοποιητικού συστήματος ώστε να σκοτώνουν τα βακτήρια», προσθέτει ο Zadpoor.
Επιδιόρθωση καρδιάς
Στο Πανεπιστήμιο George Washington στην Ουάσινγκτον των ΗΠΑ, η βιομηχανικός Grace Zhang και η ομάδα της χρησιμοποιούν την εκτύπωση 4D για να κατασκευάσουν εργαλεία ικανά να υποστηρίξουν την αναγέννηση ιστών στο ανθρώπινο σώμα. Μεταξύ των προσπαθειών τους είναι και τα 4D εκτυπωμένα καρδιακά επιθέματα, τα οποία αποκαθιστούν βλάβες του καρδιακού μυός που προκαλούνται από καρδιακές προσβολές.
Τα 4D καρδιακά επιθέματα της ομάδας της είναι προσχεδιασμένα ώστε να συγκρατούν τα καρδιομυοκύτταρα με ασφάλεια στην επιφάνεια της καρδιάς. Αποτελούνται από ένα μελάνι με βάση τη ζελατίνη και εκτυπώνονται χρησιμοποιώντας έναν ειδικά σχεδιασμένο τρισδιάστατο εκτυπωτή στερεολιθογραφίας. Η ζελατίνη είναι μια υδρολυμένη μορφή κολλαγόνου, μια πρωτεΐνη με μεγάλη αφθονία στο σώμα που χρησιμεύει ως ικρίωμα για τα κύτταρα. Τα επιθέματα αυτά έχουν σχεδιαστεί ώστε να αλλάζουν τη δομή τους όταν τεντώνονται, για να μπορούν να διαστέλλονται και να συστέλλονται μαζί με την καρδιά.
Το καρδιακό επίθεμα πρώτης γενιάς έχει ήδη δοκιμαστεί σε ποντίκια με καρδιακή βλάβη. Η ερευνητική ομάδα τοποθέτησε τα επιθέματα με τα τεχνητά καρδιομυοκύτταρα στα ποντίκια, και διαπίστωσε ότι τέσσερις μήνες μετά, αυτά εξακολουθούσαν να βρίσκονται στη θέση τους και να υποστηρίζουν τον σχηματισμό καρδιακών μυών.
4D εκτυπωμένοι χειρουργοί
Ο μηχανολόγος μηχανικός Xuanhe Zhao και η ομάδα του στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στις ΗΠΑ, εν τω μεταξύ, θέλουν να χρησιμοποιήσουν 4D εκτύπωση για τη θεραπεία εγκεφαλικών επεισοδίων. Οι ερευνητές στοχεύουν στη βελτίωση της θρομβεκτομής, μιας ιδιαιτέρως αποτελεσματικής θεραπείας για τα εγκεφαλικά που οφείλονται σε απόφραξη μεγάλου μεγέθους αρτηρίας. Πρόκειται για μια επέμβαση κατά την οποία ένα λεπτό ειδικό σύρμα που φέρει φάρμακα για τη διάσπαση θρόμβων ή μια συσκευή που τραβά ή αναρροφά τους θρόμβους, εισάγεται σε ένα αιμοφόρο αγγείο στο πόδι του ασθενούς και στη συνέχεια καθοδηγείται χειροκίνητα μέσα στο σώμα, με τη βοήθεια απεικόνισης ακτίνων Χ.
Τα καινοτόμα σύρματα θα μπορούσαν να διευκολύνουν τη διαδικασία καθοδήγησης. Έχουν επίσης σχεδιαστεί ώστε να αλλάζουν σχήμα, και επομένως κατεύθυνση, σε απόκριση σε ένα μαγνητικό πεδίο. Οι επιστήμονες θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν μαγνήτες για να κατευθύνουν το σύρμα μέσα στα αιμοφόρα αγγεία. Η διαδικασία θα μπορούσε ακόμη και να ελέγχεται εξ αποστάσεως με τη χρήση ενός joystick, μειώνοντας την έκθεση του χειρουργού στην ακτινοβολία, προσθέτει ο Zhao.
Η τεχνολογία 4D εκτύπωσης έχει εξελιχθεί ραγδαία από τη σύλληψή της και επιτρέπει την ταχεία κατασκευή πρωτοτύπων μιας μεγάλης ποικιλίας υλικών που αλλάζουν σχήμα, αλλά υπάρχουν ακόμη εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν πριν η χρήση της γίνει ευρέως διαδεδομένη.
Η τυποποίηση είναι ένα τέτοιο ζήτημα, σύμφωνα με τον Tibbits.
«Στον τομέα της 4D εκτύπωσης, όλοι χρησιμοποιούν διαφορετικά υλικά, μηχανήματα και λογισμικό και όλοι δοκιμάζουν τα συστήματά τους με διαφορετικούς τρόπους», εξηγεί. «Για να εξασφαλιστεί η ασφάλεια και η αξιοπιστία, η κοινότητα πρέπει να καταλήξει σε ένα σύνολο κοινών προτύπων για τη δοκιμή και την ανάλυση αυτών των έξυπνων υλικών», τονίζει.
Ωστόσο, η μεγαλύτερη πρόκληση για τα 4D εκτυπωμένα υλικά θα είναι ίσως η υιοθέτησή τους τους σε έναν κόσμο που έχει συνηθίσει σε στατικά υλικά.
«Κανονικά, η μηχανική προσπαθεί να φτιάξει δομές και γέφυρες που δεν αλλάζουν σχήμα – τα περισσότερα υλικά εκεί έξω προσπαθούν να είναι εξαιρετικά σταθερά και να μην κινούνται», λέει ο Tibbits. «Αυτό πηγαίνει προς την εντελώς αντίθετη κατεύθυνση και στοχεύει στη χρήση υλικών που είναι όσο το δυνατόν πιο ενεργά, και αυτό δεν το έχουμε συνηθίσει».
ΠΗΓΗ: Chemistry World
Κάνε like στη σελίδα μας στο Facebook
Ακολούθησε μας στο Twitter
Κάνε εγγραφή στο κανάλι μας στο Youtube
– Αναφέρεται ως πηγή το ertnews.gr στο σημείο όπου γίνεται η αναφορά.
– Στο τέλος του άρθρου ως Πηγή
– Σε ένα από τα δύο σημεία να υπάρχει ενεργός σύνδεσμος