Imprimarea 3D s-a bucurat de o popularitate imensă încă de la începuturi, găsindu-și aplicabilitate în domenii diverse precum inginerie sau medicină, totul datorită modului rapid și necostisitor de a transforma „informații” 3D în obiecte fizice. În timp ce tehnologia 3D are capacitatea de a printa structuri fixe, statice, care nu sunt utile pentru uz multifuncțional, imprimarea 4D vine pentru a umple acest gol, preluând principiul auto-asamblării moleculelor care formează structuri complexe fără intervenție umană.
Acest tip de imprimare a fost dezvoltată atunci când cercetătorii au combinat materialele inteligente cu tehnologia imprimării 3D. Prin imprimarea 4D se pot realiza obiecte capabile să își schimbe structura atunci când sunt expuse la stimuli externi precum temperatura și lumina. Inginerii și cercetătorii au reușit astfel să controleze materia în moduri precise și pe lungi perioade de timp.
Față de imprimarea 3D, care produce obiecte ce își păstrează forma, imprimarea 4D permite schimbarea culorilor, formelor, mărimilor sau poate face un material inert să se miște controlat. Totul se realizează folosind și „programând” materialele inteligente ale industriei, la fel cum un calculator este setat să scrie coduri. Acest „cod” va fi adăugat ADN-ului materialului pentru a-l condiționa și va asigura instrucțiunile pentru partea de printare 3D.
Deși nu se poate preciza cu exactitate cine este inventatorul tehnologiei de imprimare 4D, ea este în prezent dezvoltată de firme și instituții importante din domeniu. Începând cu 2017, cele mai importante companii care dezvoltă și studiază această tehnologie sunt MIT și Stratasys – producător de tehnologie de imprimare 3D și o companie care dezvoltă programe software. Cu toate acestea, cercetătorii din Australia și Singapore câștigă rapid teren, contribuțiile lor fiind semnificative în ceea ce privește materialele potrivite pentru imprimarea 4D, tot ei oferind și ajutor în aducerea tehnologiei mai aproape de piață prin produsele ce vor deveni mai devreme sau mai târziu vandabile.
Și totuși cum funcționează imprimarea 4D? Imaginați-vă că o cutie de carton a fost imprimată cu tehnologie 3D. Acum imaginați-vă că acea cutie s-ar putea aplatiza singură dacă nu mai este folosită și dacă primește un anumit stimul exterior. Deși poate părea ceva simplu, impactul pe care astfel de lucruri banale îl poate avea în lumea afacerilor este uriaș. Orice depozit ce folosește zilnic mii de cutii pierde timp și resurse cu acest proces realizat manual prin care trec cutiile pentru a putea fi reutilizate.
Pentru a ajunge la un astfel de produs finit, în aproape toate procesele de imprimare 4D e nevoie de materiale speciale care sunt capabile să reacționeze la stimuli, ele fiind cele care fac obiectele să fie „programabile” și să își execute „codul genetic” printat 3D. Unele laboratoare de cercetare se concentrează pe „programarea” formei obiectului dorit la nivelul micro-structurii materialelor standard. Această abordare folosește calitățile structurilor moleculare, iar când acestea sunt configurate corect, materialul „construiește” deformarea dorită a macro-structurii. Un avantaj este acela că obiectele printate 4D pot folosi deja existentele imprimante și materiale 3D, deși puțin adaptate.
Imprimarea 3D înseamnă de fapt repetarea unei structuri 2D, strat cu strat, printr-o modalitate de imprimare de jos în sus, până când un volum/obiect 3D este creat. Imprimarea 4D este o imprimare 3D care se transformă de-a lungul timpului. De aici și cea de-a patra sa dimensiune, timpul, marea revelație a imprimării de tip 4D fiind abilitatea sa de a-și schimba forma în timp.
„În mod normal printăm obiecte și credem că ele au fost terminate. Apoi le asamblăm. Însă noi vrem ca ele să fie capabile să se transforme și să își schimbe forma în timp. Și vrem să se asambleze singure”, a declarat cercetătorul MIT, Skylar Tibbits. „Dacă încep să alerg, pantofii mei ar trebui să se adapteze și să se transforme în adidași. Dacă joc baschet, ei ar trebui să ofere mai mult sprijin pentru glezne. Dacă merg pe iarbă, ar trebui să le «crească» mici crampoane sau să fie impermeabili dacă plouă. Sigur că pantoful nu va înțelege că joc baschet, însă poate percepe energia sau forțele care sunt aplicate piciorului. Materialul s-ar putea transforma pe baza presiunii, umidității sau a schimbării de temperatură”, a mai precizat Tibbitts, potrivit hpmegatrends.com.
Jennifer Lewis, cercetător la Universitatea Harvard, a căutat inspirație în modul în care plantele reacționează la factorii de mediu. „Conurile de pin, de exemplu, se pot deschide și închide în funcție de nivelul lor de hidratare. În mod similar, cârceii plantelor se spiralează dacă părți ale structurii lor devin lemnoase și se micșorează, ducând la stres care cauzează îndoirea”, a declarat Lewis, potrivit Livescience.
Cercetătorii pot în prezent să controleze direcțiile în care obiectele printate își modifică structurile. Conform lui Lewis și a altor cercetători de la Harvard, precum L. Mahadevan, matematician și fizician, viitorul sună ca subiectul unui film SF. Structuri imprimate prin tehnologie 4D ar putea fi amestecate cu celule vii pentru a vindeca rănile sau pentru a fi folosite în chirurgie. Textilele „smart” ar putea fi printate pentru a-și modifica forma sau permeabilitatea drept răspuns la umiditate, temperatură și alți factori de mediu. În curând am putea cumpăra mobila în formă plată, iar mai apoi acasă, sub influența căldurii, ea să se asambleze singură.
Inginerul biomedical Scott Hollister de la facultatea din Michigan a dezvoltat un dispozitiv printat 3D care poate păstra deschise căile respiratorii ale nou-născuților timp de 3 ani, pentru ca apoi să fie absorbit de corp după ce cartilajul bronhial a avut timp să se regenereze. Aceeași tehnologie va putea fi folosită și în alte scopuri medicale cu mare exactitate, în viitorul nu foarte îndepărtat.
Un alt exemplu este ce al lui Nicole Hone, studentă la master în cadrul Universității Victoria din Wellington, Noua Zeelandă, care a creat mai multe plante interactive imprimate 4D. Plantele reacționează la stimuli fizici, contractându-se sau înflorind în funcție de situație. Au fost construite dintr-un elastopolimer, combinație între cauciuc și plastic, cu ajutorul sistemului Stratasys Polyjet. Alți cercetători au început să imprime prin tehnologie 4D și celule vii, ceea ce face ca aplicabilitatea acestui tip de imprimare să pară a fi infinită.
Esențialul entuziasmului pe care imprimarea 4D îl trezește în cercetători poate fi rezumat prin cuvintele lui Vinod Baya, director al Centrului PwC pentru tehnologie și inovație: „Este ca și cum acordăm materiei lipsite de viață caracteristicile celei vii, acolo unde răspunsul la stimuli este programat în ADN-ul materiei organice”.
