Levende organismen zetten zacht weefsel uit en trekken samen om complexe, 3D-bewegingen en functies, maar het repliceren van die bewegingen met door de mens gemaakte materialen is een uitdaging gebleken.

Een onderzoeker van de Universiteit van Texas in Arlington publiceerde onlangs baanbrekend onderzoek in Natuurcommunicatie dat belooft wat voor het vinden van een oplossing.

Kyungsuk Yum, een assistent-professor bij de afdeling Materials Science and Engineering van UTA, en zijn promovendus, Amirali Nojoomi, hebben een proces ontwikkeld waarmee 2-D hydrogels kunnen worden geprogrammeerd om uit te zetten en te krimpen op een ruimte- en tijdgestuurde manier die kracht op hun oppervlak uitoefent, waardoor de vorming van complexe 3D-vormen en bewegingen mogelijk is.

Dit proces kan mogelijk de manier veranderen waarop soft engineering-systemen of apparaten worden ontworpen en gefabriceerd. Mogelijke toepassingen voor de technologie zijn bio-geïnspireerde zachte robotica, kunstmatige spieren - dit zijn zachte materialen die van vorm veranderen of bewegen als reactie op externe signalen zoals onze spieren doen - en programmeerbare materie. Het concept is ook toepasbaar op andere programmeerbare materialen.

"We hebben onderzocht hoe biologische organismen continu vervormbare zachte weefsels zoals spieren gebruiken om vormen te maken, van vorm veranderen en bewegen omdat we geïnteresseerd waren in het gebruik van dit type methode om dynamische 3D-structuren te creëren, "Jammer zei.

Zijn aanpak maakt gebruik van temperatuurgevoelige hydrogels met lokale graden en snelheden van zwelling en krimp. Die eigenschappen stellen Yum in staat om ruimtelijk te programmeren hoe de hydrogels opzwellen of krimpen als reactie op temperatuurverandering met behulp van een digitale, lichte 4-D-printmethode die hij heeft ontwikkeld en die drie dimensies plus tijd omvat.

Met behulp van deze methode, Yum kan in één stap meerdere 3D-structuren tegelijk printen. Vervolgens, hij programmeert wiskundig het krimpen en zwellen van de structuren om 3D-vormen te vormen, zoals zadelvormen, rimpels en kegeltjes, en hun richting.

Hij heeft ook ontwerpregels ontwikkeld op basis van het concept van modulariteit om nog complexere structuren te creëren, inclusief bio-geïnspireerde structuren met geprogrammeerde opeenvolgende bewegingen. Dit maakt de vormen dynamisch zodat ze door de ruimte kunnen bewegen. Hij kan ook de snelheid regelen waarmee de structuren van vorm veranderen en zo complexe, opeenvolgende beweging, zoals hoe een pijlstaartrog in de oceaan zwemt.

"In tegenstelling tot traditionele additieve productie, onze digitale, lichte 4D-printmethode stelt ons in staat om meerdere, op maat ontworpen 3D-structuren tegelijk. Het belangrijkste is, onze methode is erg snel, minder dan 60 seconden nodig hebben om af te drukken, en dus zeer schaalbaar."

"Dr. Yum's benadering van het creëren van programmeerbare 3D-structuren heeft het potentieel om veel nieuwe wegen te openen in bio-geïnspireerde robotica en weefseltechnologie. De snelheid waarmee zijn aanpak kan worden toegepast, evenals de schaalbaarheid, maakt het een uniek hulpmiddel voor toekomstig onderzoek en toepassingen, ' zei Meletis.

Yum's papier, "Bio-geïnspireerde 3D-structuren met programmeerbare morfologieën en bewegingen, " werd gepubliceerd in het nummer van 12 september van Natuurcommunicatie .