اختصاصی بسپار/ عبور از یکی از محدودیتهای چاپ سهبعدی: چاپ سهبعدی وارد عصر تغییر شکل شد/ از ماهیچهی مصنوعی تا سطوح هوشمند
بسپار/ ایران پلیمر پژوهشگران کرهی جنوبی و ایالات متحده به روشی در چاپ سهبعدی دست یافتهاند که به یک مادهی واحد اجازه میدهد پس از چاپ، در پاسخ به گرما بهصورت برنامهریزیشده منبسط یا منقبض شود. این دستاورد با امکان کنترل جهتگیری مولکولی ماده حین چاپ، میتواند زمینه را برای ساخت ماهیچههای مصنوعی، رباتهای نرم، تجهیزات پوشیدنی و ابزارهای پزشکی با قابلیت تغییر شکل فراهم کند.
در این پژوهش که نتایج آن در نشریهی Nature Communications منتشر شده است، برای نخستین بار یک جوهر قابل چاپ سهبعدی ساخته شده است که جهتگیری مولکولی آن را میتوان در جریان فرایند چاپ میان دو جهت عمود بر یکدیگر تغییر داد.
عبور از یکی از محدودیتهای چاپ سهبعدی
یکی از محدودیتهای مهم روشهای متداول چاپ سهبعدی مواد تغییرشکلپذیر این است که مولکولهای موجود در هر رشتهی چاپشده (Filament) تنها در یک جهت آرایش پیدا میکنند. در نتیجه، قطعه پس از تحریک نیز تنها قادر به ایجاد یک نوع حرکت مشخص است؛ محدودیتی که طراحی سازههایی با حرکات پیچیده را دشوار میکند.
راهکار جدید بر استفاده از جوهر لاستیک بلور مایع اسمکتیک (Smectic Liquid Crystal Elastomer – LCE) استوار است. ویژگی مهم این ماده آن است که پژوهشگران میتوانند تنها با تغییر سرعت یا دمای چاپ، جهت آرایش مولکولی را در همان رشتهی چاپشده تغییر دهند.
به بیان ساده، پارامترهای فرایند چاپ تعیین میکنند که بخش موردنظر از قطعه هنگام گرمشدن منقبض شود یا کشیده و منبسط شود. بنابراین، دیگر برای ایجاد دو رفتار متفاوت نیازی به استفاده از دو مادهی جداگانه نیست.
Ahn میگوید این پژوهش نخستین نمونهای است که در آن تغییر جهت آرایش مولکولی میان دو جهت عمود بر یکدیگر، با استفاده از یک جوهر LCE اسمکتیک و صرفا از طریق تنظیم سرعت و دمای چاپ نشان داده شده است.
کنترل رفتار مولکولی هنگام چاپ
پژوهشگران برای دستیابی به این قابلیت، چندین روش پیشرفته را با یکدیگر ترکیب کردند؛ از جمله نوشتن مستقیم با جوهر (Direct Ink Writing)، اندازهگیریهای شارششناختی (Rheological Measurements)، پراکنش پرتو ایکس با زاویهی باز (Wide-Angle X-ray Scattering) و شبیهسازی دینامیک مولکولی (Molecular Dynamics Simulation).
ترکیب این روشها به گروه پژوهشی امکان داد سازوکار تغییر جهت مولکولها را بررسی و سپس آن را در جریان چاپ کنترل کند.
در آزمایشهای انجامشده، پژوهشگران موفق شدند سازههای دوبعدی و سهبعدی مختلفی با تغییر شکل برنامهریزیشده چاپ کنند. شبکهها، سازههای خمیده و سطوحی که قادر به تغییر بافت خود هستند، از جمله نمونههای ساختهشده بودند.
نکتهی مهم دیگر، پایداری رفتار این مواد بود. نمونههای چاپشده در چرخههای مکرر گرم و سردشدن، کارکرد خود را حفظ کردند؛ نتیجهای که میتواند برای کاربردهای عملی، جایی که قطعه باید بارها تغییر شکل دهد و به حالت قبلی بازگردد، اهمیت زیادی داشته باشد.
از ماهیچهی مصنوعی تا سطوح هوشمند
توانایی ایجاد انبساط و انقباض در نقاط مختلف یک قطعهی چاپشده، دامنهی گستردهای از کاربردهای احتمالی را ایجاد میکند.
یکی از مهمترین حوزهها رباتیک نرم (Soft Robotics) است. در این کاربرد، میتوان محرکهایی ساخت که حرکات پیچیدهتر و طبیعیتری نسبت به سازههای تغییرشکلپذیر متداول داشته باشند. این فناوری همچنین میتواند در توسعهی ماهیچههای مصنوعی به کار رود؛ ساختارهایی که با دریافت محرک گرمایی حرکت میکنند.
کاربرد احتمالی دیگر، سطوح قابل بازآرایی برای نمایشگرهای لمسی (Haptic Displays) است. در چنین سامانههایی، سطح میتواند در پاسخ به شرایط یا فرمان مشخص، بافت خود را تغییر دهد.
پژوهشگران همچنین به امکان تولید بافتهای تطبیقپذیری اشاره کردهاند که بتوانند مقاومت آیرودینامیکی خودرو یا هواپیما را تنظیم کنند. در این حالت، سطح دیگر یک ساختار ثابت نیست و میتواند متناسب با شرایط تغییر کند.
ابزار پزشکی که داخل بدن تغییر شکل میدهد
کاربردهای پزشکی نیز یکی از حوزههای مورد توجه این پژوهش است. این فناوری در آینده میتواند برای ساخت ابزارهای جراحی کمتهاجمی (Minimally Invasive Surgical Tools) به کار رود که با شکل کوچکی وارد بدن میشوند و پس از قرارگیری در محل موردنظر، شکل خود را تغییر میدهند.
چنین قابلیتی بالقوه میتواند آسیب ناشی از ورود ابزارهای پزشکی را کاهش دهد و امکان طراحی تجهیزات پیچیدهتری را فراهم کند. تجهیزات پوشیدنی نیز میتوانند از این ویژگی بهره ببرند و متناسب با فعالیت یا نیاز کاربر، شکل خود را تغییر دهند.
گامی از چاپ سهبعدی به چاپ چهاربعدی
با وجود نتایج امیدوارکننده، این فناوری هنوز در مراحل اولیهی توسعه قرار دارد. آزمایشها در شرایط کنترلشدهی آزمایشگاهی و با یک فرمول بندی مشخص انجام شدهاند. بنابراین، برای استفاده از این راهبرد در مواد دیگر و افزایش مقیاس تولید تا سطح تجاری، پژوهشهای بیشتری لازم است.
بااینحال، Ahn معتقد است طی ۵ تا ۱۰ سال آینده چنین فناوریهایی میتوانند چاپ سهبعدی را از تولید اشیایی با شکل ثابت فراتر ببرند و امکان ساخت قطعاتی را فراهم کنند که فعالانه تغییر شکل میدهند و وظایف مشخصی انجام میدهند.
اهمیت این دستاورد بهویژه برای چاپ چهاربعدی (4D Printing) قابل توجه است؛ حوزهای که در آن، زمان و پاسخ ماده به محرکهای خارجی به بُعد دیگری از طراحی تبدیل میشود. قابلیت برنامهریزی همزمان انبساط و انقباض در یک قطعهی واحد میتواند طراحی ماشینهای نرم آینده را سادهتر کند و آزادی بسیار بیشتری برای ایجاد حرکتهای پیچیده در اختیار مهندسان قرار دهد.
در چنین رویکردی، چاپگر دیگر فقط هندسهی یک قطعه را نمیسازد؛ رفتار آیندهی آن را نیز در ساختار مولکولیاش برنامهریزی میکند.
