Pesquisadores da Universidade de Freiburg e da Universidade de Stuttgart desenvolveram um novo processo para a produção de móveis, sistemas de materiais autoajustáveis ​​com impressoras 3D padrão. Esses sistemas podem passar por mudanças de forma complexas, contraindo e expandindo sob a influência da umidade de uma maneira pré-programada. Os cientistas modelaram seu desenvolvimento com base nos mecanismos de movimento da planta trepadeira conhecida como batata do ar (Dioscorea bulbifera).

Com seu novo método, a equipe produziu seu primeiro protótipo:uma cinta de antebraço que se adapta ao usuário e que pode ser desenvolvida posteriormente para aplicações médicas. Este processo foi desenvolvido de forma colaborativa por Tiffany Cheng e o Prof. Dr. Achim Menges do Instituto de Design e Construção Computacional (ICD) e o Design e Construção Computacional Integrativa para Cluster de Excelência em Arquitetura (IntCDC) da Universidade de Stuttgart, junto com o Prof. Dr. Thomas Speck do Plant Biomechanics Group and the Living, Grupo de Excelência de Sistemas de Materiais Adaptativos e Autônomos de Energia (livMatS) na Universidade de Freiburg. Os pesquisadores apresentam seus resultados na revista Ciência Avançada .

A impressão 4D define as mudanças de forma

A impressão 3D se estabeleceu como um processo de fabricação para uma ampla gama de aplicações. Pode até ser usado para produzir materiais inteligentes e sistemas de materiais que permanecem em movimento após a impressão, mudando de forma autônoma a partir de estímulos externos, como luz, temperatura ou umidade. Esta chamada impressão 4D, em que mudanças de forma predeterminadas podem ser desencadeadas por um estímulo, expande imensamente as aplicações potenciais de sistemas materiais. Essas mudanças na forma são possíveis pela composição química dos materiais, que consistem em polímeros responsivos a estímulos. Contudo, as impressoras e materiais básicos usados ​​para produzir tais sistemas de materiais são geralmente altamente especializados, feito sob medida e caro - até agora.

Agora, usando impressoras 3D padrão, é possível produzir sistemas de materiais que reagem às mudanças na umidade. Dada sua estrutura, esses sistemas de materiais podem sofrer alterações de forma em todo o sistema ou simplesmente nas partes individuais. Os pesquisadores das Universidades de Freiburg e Stuttgart combinaram várias camadas de dilatação e estabilização para realizar um mecanismo de movimento complexo:uma estrutura de enrolamento que se aperta ao desdobrar "bolsos" como pressores e que pode se soltar novamente por conta própria quando os "bolsos" se soltam e a estrutura enrolada retorna ao estado aberto.

Mecanismos de movimento natural transferidos para sistemas de materiais técnicos

Para este novo processo, os cientistas usaram um mecanismo da natureza:a batata do ar sobe em árvores aplicando pressão no tronco da planta hospedeira. Para fazer isso, a planta primeiro se enrola livremente em torno de um tronco de árvore. Em seguida, brota 'estípulas', conseqüências basais das folhas, que aumentam o espaço entre a haste sinuosa e a planta hospedeira. Isso cria tensão na haste sinuosa da batata do ar. Para imitar esses mecanismos, os pesquisadores construíram um sistema modular de materiais estruturando suas camadas de modo que possam se dobrar em diferentes direções e em diferentes graus, enrolando-se assim e formando uma estrutura em hélice. 'Bolsos' na superfície fazem com que a hélice seja empurrada para fora e colocada sob tensão, fazendo com que todo o sistema de materiais se contraia.

"Até aqui, nosso processo ainda está limitado aos materiais de base existentes que respondem à umidade, "diz Achim Menges." Esperamos, "Thomas Speck acrescenta, "que no futuro, materiais baratos que também respondem a outros estímulos estarão disponíveis para impressão 3D e podem ser usados ​​com nosso processo. "

Pesquisadores da Universidade de Freiburg's Living, O Cluster de Excelência de Sistemas de Materiais Adaptativos e Autônomos em Energia (livMatS) está desenvolvendo sistemas de materiais semelhantes à vida que são inspirados pela natureza. Como estruturas vivas, eles se adaptam de forma autônoma a diferentes fatores ambientais, geram energia limpa em seu ambiente e são imunes a danos ou podem curar a si mesmos. No entanto, esses sistemas de materiais serão objetos puramente técnicos, para que possam ser produzidos usando métodos sintéticos e implantados em condições extremas.