4D-печать и программируемые поверхности

После того, как мы с уважаемым @dionisdimetor ^[1] предметно поговорили ^[2] на разнообразные темы, я всерьёз задумался, так ли фантатстичен компьютрониум ^[3] — материя, специально предназначенная для вычислений. Пока, к сожалению, никаких намёков на практическое воплощение компьютрониума я не нашёл, однако на основе изученного и прочитанного по диагонали хочу рассказать вам о не менее удивительных программируемых поверхностях. Она начинается во второй половине 2010-х с разработок Скайлара Тиббитса (Skylar Tibbits) и Джареда Локса (Jared Laucks), основавших в Массачусетском технологическом институте «Лабораторию самосборки ^[4]» и подстегнувших развитие технологий под общим названием «4D-печать».

Аддитивные технологии, зародившиеся в начале 1980-х ^[5] как послойное программируемое наращивание пластиковых моделей, стали широко известны как 3D-печать — у нас есть о них целый хаб ^[6]. Традиционно 3D-печать понимается как запрограммированное автоматизированное послойное литьё простых предметов (или деталей), заранее отрисованных в виртуальной среде в качестве 3D-моделей.

Важным шагом на пути к появлению таких материалов стало появление полностью металлических сплавов, которые при комнатной температуре остаются в аморфном виде, близком к состоянию геля ^[7]. Рассмотрим пример программируемого сплава, полученного в 2023 году в университете Северной Каролины.

Четвёртым измерением описываемых сплавов-гелей является температура, в частности, та, при которой изделие высушивается. При комнатной температуре форма сохраняется, а при нагревании — контролируемо меняется. 

Исследователи приготовили металлический гель на основе водного раствора (взвеси) микрочастиц меди. Далее в состав добавлялся эвтектический индиево-галлиевый сплав EGaIn ^[8], остающийся жидким при комнатной температуре. Затем после размешивания медная и жидкометаллическая часть раствора остаются в плотном контакте и сохраняют форму даже после полного удаления воды. Получившийся состав можно подавать в сопло обычного 3D-принтера.  

Программируемые материалы – широкий контекст

Таким образом, сегодня можно создавать материалы, реагирующие заданным образом на изменение окружающих условий, то есть, как адаптивные, так и отзывчивые. Потенциальные области их применения — например, робототехника, космонавтика, биомедицинские имплантаты, протезирование. Технологии, на основе которых разрабатываются программируемые материалы — микрофлюидика ^[9], электроактивные полимеры ^[10] и сплавы с памятью формы ^[11] (SMA). Последний класс веществ особенно удобен для изготовления мемристоров ^[12], иллюстрированное устройство которых описано на Хабре в статье уважаемого @i-evgeny.  

В идеале программируемые вещества должны по команде оператора, искусственного интеллекта ^[13] или просто в ходе выполнения алгоритма менять цвет, форму или структуру поверхности. Также, поскольку алгоритмическую составляющую таких материалов логично ^[14] основать на механизмах, отработанных в рамках нанотехнологий ^[15] и Интернета Вещей ^[16], вещество должно реагировать ^[17] на внешние стимулы, в частности, на свет, тепло, электрические или магнитные поля. Например, можно представить себе платформу, которая при прикосновении превращается в столик, или одежду, автоматически подгоняющую собственные размеры под фигуру носителя.

Что касается вышеупомянутых вариантов применения, в космонавтике такие материалы могут использоваться для создания самозалечивающихся поверхностей или автоматически наращиваемых модулей ^[18], а в медицине — для создания имплантатов, которые сами подстраиваются под форму сустава или полости, где установлены.

Сплавы с памятью формы

Сплавы с памятью ^[19] формы известны с 1932 года, когда шведский химик Арне Оландер открыл ^[20] такое свойство у золото-кадмиевых сплавов. Эффект памяти формы заключается в том, что изделие из такого сплава может после деформации восстановить исходную форму, если это изделие нагреть. Более дешёвый и удобный сплав с памятью формы был получен в 1950 году в Артиллерийской лаборатории ВМФ США (US Naval Ordnance Laboratory); он называется «нитинол» и на 45% состоит из титана, а на 55% — из никеля. При этом количество атомов никеля и титана в объёме нитинола является одинаковым. Две переходные фазы нитинола называются «остинит» и «мартензит», а кристаллическая решётка сплава при нагревании и охлаждении выглядит так:

Металлические сплавы такого рода нашли применение преимущественно в космонавтике ^[21] и производстве биомедицинских инструментов и имплантатов.

Кроме металлов активно разрабатывается другой класс материалов с памятью формы — это полимеры, реагирующие не только на изменение температуры, но и на свет. Такие вещества называются «полимерами с памятью формы ^[22]» (SMP), они находят применение в создании мягких роботов, в манипуляторах/актуаторах которых можно реализовать подобие осязания ^[23].

В последние годы исследователи также обратились к разработке материалов, способных изменять свойства в ответ на внешние воздействия, например, на изменение уровня pH или поток ионов. Эти материалы условно называются «стимул-чувствительными полимерами ^[24]». Они могут менять форму, жёсткость и даже химический состав поверхности в зависимости от изменений окружающей среды. Данное свойство открывает перспективы их использования в адресной доставке лекарств и создании искусственных заменителей человеческих тканей.

Одной из ключевых проблем, осложняющих получение программируемых материалов, является масштабируемость: материал должен сохранять адаптивность и (единообразно) реагировать на изменения способность изменять свойства или поведение ^[25] на большой площади или в значительном объёме. Также непросто обеспечить стабильность, то есть способность материала длительное время сохранять запрограммированное состояние без деградации и потери функциональности.

Ещё одним примером программируемых материалов служат электроактивные полимеры ^[10] (ЭАП), которые изменяют форму или свойства под действием электрических стимулов. ЭАП состоят из диэлектрических материалов, проявляющих пьезоэлектрическое или электрострикционное поведение ^[26], что позволяет им генерировать механические усилия или деформации при воздействии электрического поля. Это также открывает возможности для создания искусственных мышц, элементов мягкой робототехники и адаптивной оптики.

Материалы с регулируемыми механическими свойствами

Исследователи Массачусетского технологического института разработали метод 3D-печати материалов с регулируемыми механическими свойствами. Образцы из таких материалов способны улавливать собственное движение и специфику взаимодействия с окружающей средой. Для создания таких сенсорных структур учёные используют всего один материал и выполняют печать за один цикл.

Чтобы добиться этого, исследователи взяли за основу решётчатые материалы, полученные методом 3D-печати, и встроили в структуру в процессе печати сети заполненных воздухом каналов. Измеряя изменение давления внутри этих каналов при сжатии, изгибе или растяжении, можно получить данные о характере движения материала.

Разработанный метод открывает возможности для встраивания сенсоров в материалы, механические свойства которых программируются через их форму и состав. Целенаправленное структурирование решётки и управление геометрией материала на микроуровне, позволяет изменять их механические характеристики, например, жёсткость или прочность. Так, в ячеистых структурах, подобных тем решёткам, что показаны на иллюстрации выше, чем плотнее сетка ячеек — тем жёстче получается вся конструкция.

Как функционируют программируемые материалы

Приведённые примеры показывают, что основным видом стимулов, определяющих свойства программируемых материалов, являются реакции на внешние стимулы —тепло, свет, электричество или магнитные поля. В результате спонтанно (но контролируемо и предсказуемо) меняются физические свойства, этих веществ, внутренняя структура или функциональные возможности. Таким образом, программирование поверхностей можно считать лишь частным случаем объёмного программирования материалов, где поверхность выступает в качестве интерфейса.

В устройстве всех программируемых материалов можно выделить три функциональных принципа:

1.    Обнаружение внешних воздействий. Материалы, оснащённые сенсорами или химическими «рецепторами», считывают изменения окружающей среды.

2.    Обработка ввода. Химические и физико-химические реакции (в том числе, обратимые) действуют как алгоритмы, интерпретирующие поступающие сигналы и обеспечивающие необходимую трансформацию.

3.    Проявление изменений. Материал меняет свойства — например, форму, текстуру или цвет.

Такая динамическая адаптивность позволяет переключаться между формами или функциями в зависимости от конкретных требований или команд.

4D-печать как алгоритмическая самосборка

Одной из ключевых задач 4D-печати является получение материалов, демонстрирующих значительные вариации формы с течением времени или в зависимости от актуальных условий. Принципы таких изменений, отрабатываемые на микроуровне, обкатываются на самоскладывающихся роботах, которых я ранее рассматривал на Хабре в статье «Сложить и расправить. Искусство оригами в робототехнике ^[27]»

Помимо запрограммированного изменения формы или текстуры, ещё одной ключевой концепцией в 4D-печати является самосборка (self-assembly). Объекты проектируются таким образом, чтобы они могли собираться в сложные структуры без вмешательства оператора. Такая самоорганизация предполагает использование микросоставляющих, способных взаимодействовать друг с другом, получая энергию из водородных связей или сил Ван-дер-Ваальса ^[28].

Сочетание 4D-печати и самоорганизации потенциально может совершить революцию в различных областях, включая мягкую робототехнику, биомедицину и космонавтику. Отдельное направление разработки мягких самозалечивающихся роботов связано с исследованием умных гидрогелей, уже научившихся играть в пинг-понг ^[29]. Не менее удивительное бионическое развитие программируемых поверхностей связано с имитацией свойств шкуры осьминогов ^[30], о чём недавно рассказал на Хабре уважаемый @Dmytro_Kikot ^[31]. Как известно, осьминоги изобретательно меняют цвет, маскируясь под окружающую среду, а также способны проявлять биолюминесценцию. Опираясь на свойства головоногих, удалось получить целый класс гидрогелей, программируемых для цифровой обработки света ^[32] (DLP), при помощи которых можно создавать на жидкой основе, например, такие картинки:

Программирование и реконфигурация материалов – что дальше

Технология создания программируемых поверхностей сейчас только формируется, но, как я постарался показать в этой статье, переживает уже не первую эпоху в своём развитии. Чтобы обеспечить адаптивность таких материалов и оперативное реагирование на изменения, требуется работать не с кристаллами (в том числе, жидкими) и не сплавами, а, прежде всего, с жидкостями и гелями. Основное направление развития мелких программируемых поверхностей, на мой взгляд, связано с микрофлюидикой и подбором жидких металлических составов и гелей, определяющую роль в проектировании которых сыграет изучение галлия — единственного металла, который переходит из твёрдого состояния в жидкое при температуре чуть выше комнатной. Отдельного внимания ^[33] заслуживает изучение свойств подобных жидких сенсоров в невесомости, и к этой теме я также надеюсь вернуться в одной из следующих статей на Хабре.