Как Работи 4D Печатът

{h1}

4d печатът може да промени модата, здравеопазването и отбранителната индустрия. Научете всичко за 4-d печат в WordsSideKick.com.

Представете си, че машините и конструкциите, които използваме всеки ден, от лавиците за дървесни плочи до блоковете с апартаменти, биха могли да се съберат. Няма повече шестостранни гаечни ключове Ikea, няма повече кранове, просто 3-D печатни материали, които "знаят" как да се сгъват, извиват и сковават, като растения, растящи във видеоклип с изтичане на време.

С други думи, какво, ако можем да отпечатаме обекти, които са четиримерни?

ОК, сигурно, технически всичко е четиримерни - всъщност 10-или повече-според физиците, но мислим главно за изградения свят по отношение на дължина, ширина и височина. Четвъртото измерение, времето, ние виждаме като враг, чиито ефекти правим всичко възможно да се противопоставим (експертите остават разделени по въпроса дали петото измерение е „Зоната на здрача“ или групата, която пее „Епохата на Водолея“),

И така ние изграждаме стени и тръби толкова силно, колкото можем - и продължаваме да ги ремонтираме с напредване на възрастта - защото строителството отнема време, пари и усилия и не искаме да го правим отново и отново. Но какво, ако времето не беше врагът? Да предположим, че една структура може да се разгърне, като оригами. Представете си, ако стените му биха могли да се огъват или да се сковават в отговор на изместващи товари или ако погребана тръба може да промени формата си, за да побере различни водни потоци - или да изпомпва вода чрез перисталтика, като вашата храносмилателна система. Чрез 4-D печат нищо не е поставено в камък, освен ако не искате да бъде.

Ако изследователите и производителите успеят да работят, 4-D печат може да промени цялата ни идея за производство. Компаниите могат да отпечатват убежища, машини и инструменти, след това да ги опаковат и доставят там, където е необходимо - райони за бедствия, може би, или да ги подготвят за враждебна среда като космоса или океанското дъно. Там вредните за човека условия на околната среда всъщност могат да предизвикат промените във формата и свойствата на обекта - не само веднъж, а многократно.

В основата на всичко това стоят основните физика, химия и геометрия зад най-светските природни процеси. Помислете как косата ви променя формата си, когато се нахлува буря, проста материя от въздуха, която води във въздуха, причинявайки протеини от кератин, да образуват необичайно висок дял водородни връзки, което ги кара да се сгъват обратно, вместо да се разтягат [източник: Stromberg]. Или помислете как плосък надуваем стол придобива предвидима форма, докато приема въздух, защото неговите секции имат различни свойства.

Четириизмерните устройства не изискват хората да ги изграждат, нито са роботи, които изискват микрочипове, сервомери и арматури. Единственото им „програмиране“ включва геометрията, физиката и химията, вградени в техните структури.

Добавяне на измерение

Адреналинната рокля на Chromat, изработена от 3-D печатани панели, разполага с модула Curie на Intel. Какво го прави 4-D? Когато роклята усети адреналина от носителя, той се разширява.

Адреналинната рокля на Chromat, изработена от 3-D печатани панели, разполага с модула Curie на Intel. Какво го прави 4-D? Когато роклята усети адреналина от носителя, той се разширява.

В основата си 4-D печатът е комбинация от 3-D печат и друго авангардно поле, т.е. самосглобяване.

Самосглобяването е точно това, което звучи - спонтанното подреждане на парчета в по-голямо, функционално цяло. Полето е популярно в нанотехнологичните кръгове по две много добри причини. Първо, самосглобяването вече се случва на наноразмер и осигурява движещата сила на процесите, вариращи от сгъване на протеини до образуване на кристали [източник: Бончева и Уайтсайдс]. Второ, ние нямаме чукове, гаечни ключове и отвертки, отколкото можем да изградим машина с размер на молекули. Това трябва да направи самостоятелно.

Но ако можем да мащабираме самосглобяването до човешките пропорции, това би ни позволило да направим сегашните продукти по-евтини и по-просто, или да създадем иначе невъзможни нови технологии [източник: Бончева и Уайтсайдс]. Това е трудоемка и често разочароваща работа. Дори и при идеални обстоятелства, това изисква разрушаване на последователността на сглобяване, разработване на програмируеми части и измисляне на енергиен източник, който ще задейства измиването ви. Изграждането на някаква корекция на грешки също не е лоша идея [източник: Tibbits]. Най-вече обаче са ви нужни подходящите инструменти и материали за работата.

Въведете 3-D печат. Въпреки че продължават да се появяват нови подходи, традиционно 3-D печатът налага многократно полагане на внимателно дефинирани слоеве от полимер върху печатащия слой. Тъй като всеки нов слой се втвърдява и се слива с тези по-долу, възниква триизмерна форма. Ранните модели могат да печатат само с един материал наведнъж, но по-новите 3-D принтери дават възможност за по-широк спектър от печатни носители и за печат с повече от един материал наведнъж. Това е важен пробив за 4-D печат, тъй като различните материали позволяват на разработчиците да изграждат в области, които се втвърдяват, огъват или набъбват или които "искат" да се сгъват по определени начини. Те могат да имат зони, които попиват вода като гъба, или които генерират електрически ток, когато са изложени на светлина. Небето е границата, стига да сте изградили правилната геометрия.

Това призовава лабораторията за самосглобяване в MIT програмируема материя - подход към науката, инженерството и материалите, който се фокусира върху материята, която може да бъде кодирана, за да промени себе си или да промени функцията си. Едно приложение на програмируемата материя е 4-D печат [източник: MIT].

Пазарът на изменяемост

Доклад за 2015 г. на фирмата за маркетингови проучвания Marketsandmarkets прогнозира, че 4-D печата ще представлява 555,6 милиона долара годишно до 2025 г. Докладът предполага, че 4-D технологията ще види комерсиализация в краткосрочен план, но само умерен първоначален напредък (преминаването висока първоначална цена). Що се отнася до ранните осиновители, докладът отделя аерокосмическия, отбранителния и военния сектор, но той разглежда отрасли като автомобилостроенето, текстила, здравеопазването, строителството и комуналните услуги като потенциални ранни осиновители [източник: Halterman].

Програмируема материя: Геометрията е съдба

Заедно с екипа си Skylar Tibbits, директор на лабораторията за самосглобяване на MIT, ръководи иновациите.

Заедно с екипа си Skylar Tibbits, директор на лабораторията за самосглобяване на MIT, ръководи иновациите.

Изследователите на MIT не са единствените, които работят върху 4-D печатане, но лабораторията за самосглобяване на училището е тази, която направи най-ранните пръски, до голяма степен благодарение на TED разговорите на нейния директор, архитект Скайлар Тибитс.

Изследователите на лабораторията за първи път влязоха в света на самосглобяването, като създадоха прости, мащабни самоизграждащи се роботи. Когато намериха труда и разходите неработоспособни, те се насочиха към направата на форми и материали с вградена в тях логика.

През 2010 г. те създадоха Logic Matter, набор от блокиращи се фигури, които могат да решат изчислителни проблеми, използвайки само тяхната геометрия.

Намален до най-основните си, компютърът работи с електронни врати, които комбинират 1 и 0 и връщат верен или грешен отговор. Тези порти използват булева алгебра, която задава въпроси като „и двата входа са 1“? или "е или вход 1?" Лабораторията Tibbits задава едни и същи въпроси, но използва сложни многогранници вместо обичайните електрически състояния за включване / изключване, представляващи 1s и 0s. Въвеждането включва включване на фигури на място. Това създаде нова конфигурация, която ще позволи на следващата форма - изхода - да се прикачи само във възходяща (вярна) или надолу (фалшива) ориентация, осигурявайки отговора.

Логическата материя не се повиши до нивото на самосглобяване - парчетата изискваха човешки ръце, за да ги щракнат заедно - но това беше важна първа стъпка в тази посока, като показа, че материята може да има инструкции, вградени в нея [източник: Tibbits]. През следващите години изследователите от лабораторията за самосглобяване се насочват все повече към предмети, по-съобразени с името им: геометрични фигури, които биха се комбинирали, ако се търкалят или разклащат в контейнер, вериги, които придобиват определени форми, когато се разклащат и т.н.

Това бележи следващата важна стъпка: комбиниране на вградена геометрична тенденция с влагане на енергия (или някакъв друг фактор на околната среда), за да я изстреля в скорост.

Но каква е тази геометрична тенденция? Е, ако някога сте се опитвали да направите нещо от картон (или дърво, или метал), знаете, че се сгъва по-лесно, ако го вкарате първо. Точкуването тогава е вид програмиране, начин да направите по-вероятно материала да се държи по начина, по който искате. Сега вместо картон, представете си комбинация от материали, някои от които могат да абсорбират вода и да растат, докато други остават твърди. Хвърлете го във вода и наблюдавайте как формата му се променя. Бъдете достатъчно умни със своите сгъвания и изгаряния и преди да го знаете, имате нещо наистина специално.

Но първо, трябва много прецизен контрол върху използваните материали и модела, в който машините ви ги поставят. И този подход ще работи по-добре на по-малки мащаби, където влагането на енергия и материалните разлики могат да имат по-голям ефект. Много-материалният 3-D печат помогна за осигуряване на необходимите контролни изследователи, но те също се нуждаеха от правилните материали.

Оригами самосгъваеми

Екип от Харвард създаде орхидея, която се оформи, когато се постави във вода.

Екип от Харвард създаде орхидея, която се оформи, когато се постави във вода.

Когато Тибит спомена идеята си пред хората в Stratasys, базираната в Минесота 3-D печатарска компания, те му показали материал, който може да нарасне 150 процента при потопяване във вода. Водата предлага обещаващи средства, чрез които да се манипулират 4-D обекти, тъй като природата предоставя множество работещи модели на предмети, които променят формата си в отговор на влагата. Ние ги наричаме растения.

Растенията излагат tropisms, тенденциите да нарастват по определени начини въз основа на фактори от околната среда, като слънчева светлина (фототропизъм), вода (хидротропизъм), гравитация (гравитропизъм), химикали (хемотропизъм) и дори физически контакт (тигмотропизъм). Например растенията са склонни да се огъват към слънчевата светлина, защото слънчевата светлина убива хормони, наречени ауксини, които насърчават растежа. Следователно страната на растението, обърната към слънцето, расте по-бързо от страната, която е обърната към него, което кара растението да се огъва към светлината. С малко въображение е лесно да се види как може по подобен начин да огънем физиката, която свързва материали, среда и енергия, за да направим нашето офериране.

Предвид вдъхновението, че растенията са предоставили изследователи на 4-D печат, може би не е изненадващо, че екип от Харвард направи новина през 2016 г., създавайки 4-D-отпечатана „орхидея“, която прие формата на съименника си, когато се постави във вода. Цветето беше отпечатано с помощта на хидрогелен композит, който се пропускаше слой след слой, като черешка от сладкарски плик, върху щампата за печат [източник: McAlpine].

Два аспекта на процеса на печат обясняват поведението на цветето. Първо е използването на хидрогел, който може да абсорбира големи количества вода. Второто е фактът, че композитът съдържа и целулозни фибрили - малки, силни влакна, от съществено значение за структурата на растението. Тъй като целулозата винаги течеше в известна посока, екипът може внимателно да я направи, за да контролира кои части от цветето могат да набъбнат и кои части да останат твърди, когато бъдат изложени на вода [източник: McAlpine].

Без съмнение, с течение на времето ще видим още много експерименти, използващи различни други материали, като проводници за гъвкави и динамични електрически вериги. Но също така вероятно ще видим, че терминът 4-D печат, подобно на повечето модни думи, придобива собствен живот, разширявайки се до по-широк спектър от теми. Например, една компания, „Нервна система“, описва своята нова техника за 3-D печат облекло - която създава дрехи от умело подредени найлонови венчелистчета, свързани чрез стави, като „4-D печат“ [източник: Rosencranz].

Нека разгледаме няколко други потенциални 4-D фючърса.

Не знам дали е изкуство, но бих го носила

Роклята на нервната система е проектирана с помощта на кинематика, понякога наричана геометрия на движението. Чрез много изчисления и някакъв умен дизайн, компанията би могла да изгради гъвкави облекла от десетки хиляди твърди, заключващи се части. Музеят на съвременното изкуство оттогава придобива роклята и софтуера, използван за създаването й за постоянната си колекция [източник: Rosencranz].

Разгъване на бъдещето на 4-D

Колко хубаво би било, ако тази технология за самосгъване MIT някой ден може да бъде приложена към вашите мебели от IKEA? Или още по-добре, може би персонализирана медицинска апаратура?

Колко хубаво би било, ако тази технология за самосгъване MIT някой ден може да бъде приложена към вашите мебели от IKEA? Или още по-добре, може би персонализирана медицинска апаратура?

Светът на наномашините има крачка по пътя на самосглобяването, отчасти защото може да черпи от природата за примери за ефективни, сложни дизайни, които се самосглобяват, рядко правят грешки и самостоятелно се поправят според нуждите. Преминаването на тези принципи в човешкия мащаб се оказа предизвикателно, но ако работи, възможностите са впечатляващи - факт, който не се губи от армията на САЩ, която вече е разделила 855 000 долара между Харвардския университет, Университета в Питсбърг и Университета в Илинойс, за да финансира проучване на военни приложения, като мостове и приюти за самоизграждане [източник: Кембъл-Доладжан].

Вече споменахме как модата и обзавеждането могат да осигурят забавен, печеливш начин за въвеждане на нова технология и предвид факта, че един размер много ясно не отговаря на всички, това е сектор, узрял за такива приложения. Скоро можехме да видим модели - или подгъвания - които се променят по команда.

Въпросът е, че голяма част от привлекателността на 3-D и 4-D печат се състои в неговата гъвкавост. Чрез 3-D компютърно моделиране една компания може да персонализира рокля или обувка, за да пасне на всяко тяло, направо извън портата, без никакво рязане или шиене - и да го отпечата като еднократно [източник: Rosencranz]. Използвайки 4-D материали и геометрия, облеклото може да се самонастройва в отговор на силите на разтягане и напрежение. Обувката за бягане може да се втвърди, за да осигури странична опора и стабилност, докато усеща напреженията на тенис мач, например.

BMW вече показа концептуален автомобил, който ще включва 4-D дизайни в това, което наричат ​​„Жива геометрия“. Представете интериорни или външни компоненти, които могат да променят формата си, за да се справят с изместващите се условия на шофиране Извън автомобила, 4-D панелите могат да се настройват на температура, въздушен поток, управление или вход на сензор, за да увеличат аеродинамичната ефективност. Гумите и спирачките също могат да се променят в отговор на пътните условия [източник: Vijayenthiran].

В бъдеще, тъй като биомиметиката и 4-D печатът се обединяват, можем да видим медицински изделия, пригодени за нашите тела и дори увеличения на тялото, които отговарят на тяхната среда [източник: Grunewald]. Сега това наричаме персонализирана медицина.

Разбира се, 4-D печат ще трябва да преодолее многобройни ограничения, преди да успее да достигне пълния си потенциал. Първо, процесът остава, засега така или иначе, много, много бавен. А зависимостта му от геометрията го ограничава донякъде по отношение на това, което може да направи, но това вероятно е временна пречка. Потенциално по-сериозни са напреженията, които действат върху всеки материал, който е принуден да се огъва, или точките на отказ, евентуално въведени от такава геометрия. Освен това в някои случаи 4-D материалите имат проблеми с промяната - те остават в новата си форма, а не се връщат към старата или не успяват да преминат между състояния, както е проектирано [източник: Wassmer].

Относно това дали 4-D печатът представлява прищявка, любопитство или следващото голямо нещо, само времето - достатъчно подходящо - ще покаже.

3-D печат набира скорост

Един от основните проблеми при 3-D принтерите е, че те са s-l-o-w. Но нова технология, лансирана от Carbon3D по време на конференцията TED през 2015 г., може би просто е хвърлила технологията в по-висока предавка. Вместо адитивния подход, използван от повечето му братовчедни принтери, той използва кислород и светлина за отглеждане на предмети, докато ги издърпва от вана със смола, в процес, наподобяващ високоскоростен растеж на кристали [източник: DelViscio].

Забележка на автора: Как работи 4-D печатът

4-D печатът остава в началния си стадий - със сигурност е твърде рано, за да се знае дали това е нещо повече от умен начин за пускане на пазара на колекция от свързани идеи, камо ли, ако може да бъде практичен. Но няколко от хората, които залагат на подобни неща сте да заложите на него, а защо не? Ако може да направи част от това, което се рекламира, за да може да направи, ще отиде на места. Само вижте колко далеч е стигнал 3-D печат само за няколко десетилетия.

Все пак човек трябва да се замисли дали няма ограничение за това колко бързо могат да работят тези технологии за самосглобяване на макроскопа. Само толкова бързо един материал може да расте, да се извие, да се огъне или просто да се разруши, без да се налага да променя материала по някакви радикални начини. Тогава отново, може би достатъчно енергия, заседнала в дадена система, може да преодолее всеки такъв проблем, ако се приеме, че материалите могат да поемат напрежението.


Видео Добавка: 4D Нейл Арт - Как да Направите Красиви 4D Нейл Арт Декорации на Цветя?.




Изследване


Колко Мръсни Са Наистина Тоалетните?
Колко Мръсни Са Наистина Тоалетните?

Езерото, Което Превръща Животните В Камък? Не Точно
Езерото, Което Превръща Животните В Камък? Не Точно

Наука Новини


Мозъците На Здравите Маймуни Могат Да Бъдат Ключови За Излекуването На Болестта На Алцхаймер
Мозъците На Здравите Маймуни Могат Да Бъдат Ключови За Излекуването На Болестта На Алцхаймер

Факти За Meitnerium
Факти За Meitnerium

Неандерталците Се Издигат На
Неандерталците Се Издигат На "Аспирин" И Вълнени Носорози

Дали Микровълновите Зеленчуци Унищожават Хранителните Им Вещества?
Дали Микровълновите Зеленчуци Унищожават Хранителните Им Вещества?

Как Работи Asimo
Как Работи Asimo


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2020 BG.WordsSideKick.com