Světélkující 4D biomimetický květ. Kredit: Lewis Lab / Harvard University.

O 3D tisku, při němž vznikají trojrozměrné objekty podle předlohy, už v dnešní době slyšel skoro každý, i když to neznamená, že by zevšedněl. Stále to jsou fantastické technologie, které nepřestávají překvapovat. A když 3D tištěné objekty naprogramovaným způsobem změní tvar po impulsu z okolního prostředí, tak se tomu poslední dobou říká 4D tisk (4D printing). Takovou změnu tvaru může vyvolat změna okolní teploty, elektrický proud, chemikálie nebo i světlo.

Jennifer Lewis. Kredit: Jim Harrison / Harvard University.

4D tištěné objekty jsou efektní hračky. Ale nejen to. Zajímají vývojáře chytrých textilií, autonomních robotů, biomedicínských zařízení a také tkáňové inženýry. Okouzlily i Jennifer Lewisovou z Harvardu, která se s kolegy rozhodla zjednodušit postup při 4D tisku. Až doposud se 4D tisk spoléhal na komplikované materiály, které se skládaly do výsledného 4D objektu. Lewisová a spol. se inspirovali přírodou a podívali se na to, jakým způsobem jsou konstruované rostliny, které se pohybují.
U rostlin jsou docela pěknou analogií pohybů 4D tištěných objektů takzvané nastie. Jsou to neorientované pohyby, které vyvolá nějaký impuls z prostředí.

Zvětšit obrázek

Biomimetické orchideje (výřez). Kredit: Sydney et al. (2016) Nature Materials

Thermonastie tulipánů nebo bledulí se projevují otevíráním nebo zavírání květů podle teploty. Při fotonastiích, které jsou k vidění například u vlčích máků nebo šafránu, zase dochází k otevírání nebo zavírání květů změnou intenzity světla. Rostliny čeledi bobovitých sklápějí na noc listy, což jsou nyktinastie, a asi nejslavnější z nastií jsou seismonastie, pohyby, které předvádějí rozkošné citlivky, čili mimózy.

Na čem pracují v Laboratoři Lewisové. Kredit: Lewis Lab.

Lewisová a spol. napodobili mechanismus nastií rostlin tak, že smícháním celulózových vláken s akrylamidovým hydrogelem vytvořili kompozitní gel. Když se taková substance ponoří do vody, tak nabobtná. Díky své struktuře ale po vytištění tryskou 3D tiskárny nabotná jenom po délce, podél celulózních vláken, a nikoliv do stran. Na první pohled to není nijak zvlášť složitý pohyb, od něhož by jen málokdo čekal nějaké zázraky.

Na čem pracují v Laboratoři Lewisové. Kredit: Lewis Lab.

Lewisová s kolegy ale vymysleli sofistikovaný matematický model, a když podle něj ze svého kompozitního gelu vytiskli struktury připomínající květy orchidejí, tak výsledné objekty dovedou pěkné biomimetické pohyby. Badatelé ještě do gelu přidali fluoreskující barvu, aby jejich 4D tištěné květy atraktivně světélkovaly. A povedlo se, je z toho moc pěkná vědecká show. Navíc, biomimetické orchideje nejsou jenom na hraní. Jejich technologie by se mohla prosadit ve tkáňovém inženýrství, při vývoji náhradních orgánů.

Podle Lewisové jsou dnešní tkáňové kultury obvykle 2D, ale bývají používány ve 3D aplikacích, což je problém. V budoucnu prý možná budeme tisknout náhradní tkáně jako ploché listy, které se pak samy pozmění do požadovaného tvaru.


Video:  4D Printing: Shapeshifting Architecturehttps

Jennifer Lewis - Making a Global Impact

Literatura
NewScientist 25. 1. 2016, Nature Materials online 25. 1. 2016.