Technologia druku 4D inspirowana skrzydłami owadów

Owady to organizmy dość niezwykłe i na tyle zróżnicowane, by stanowić inspirację dla wielu naukowych wynalazków. Tak jest też w tym przypadku. Owadzie skrzydła mogą dać początek rewolucji w myśleniu o druku 4D i produkcji przedmiotów samorozkładających i samoskładających się do kompaktowych rozmiarów.

Grupa naukowców z ETH Zurich i Purdue University zainspirowała się skrzydłami skorka, popularnie zwanego szczypawką. Otóż skrzydła te mają interesującą właściwość, wyróżniającą się nawet na tle innych uskrzydlonych owadów: po złożeniu osiągają powierzchnię niemal dziesięciokrotnie mniejszą, niż w stanie rozłożonym. Takie zmniejszenie rozmiarów pozwala chronić delikatne struktury podczas drążenia podziemnych tuneli. Ta niesamowita zdolność składania narządu lotnego, w dodatku zachodząca w czasie nie dłuższym niż pstryknięcie palcami, jest o tyle fascynująca, że nie wspomagają jej żadne włókna mięśniowe. Po przeanalizowaniu budowy skrzydeł i przeprowadzeniu licznych komputerowych symulacji, naukowcy odkryli mechanizm działania skrzydeł i zdołali go odtworzyć z wykorzystaniem druku 3D.

Symulacje komputerowe wykazały, że gdyby w składaniu skrzydeł kierować się wyłącznie zasadami znanymi z klasycznego origami, gdzie suma kątów na skrzyżowaniach jest równa 360 stopni, możliwa byłaby zaledwie trzykrotna redukcja rozmiaru skrzydeł. Tajemnica pozwalająca skorkowi zredukować ich rozmiar dziesięciokrotnie tkwi w budowie miejsc zagięcia i tego, czy owe miejsca funkcjonują jak sprężyny rotacyjne, czy też rozciągowe. Te właściwości, wpływając również na stabilność skrzydła w czasie lotu, determinowane są przez biopolimer resilinę, a dokładnie – przez grubość i ułożenie jej włókien. Obecność tego biopolimeru umożliwia składanie kształtów, które wydają się niemożliwe do osiągnięcia, kiedy zaginamy zwykłą kartkę. To również on jest odpowiedzialny za mechanizm zatrzasku, dzięki któremu rozłożone skrzydła nie zamykają się w locie, a złożone – pozostają w takiej postaci.

Po przeanalizowaniu danych, naukowcom udało się wydrukować w 4D samoskładający się arkusz złożony z czterech sztywnych płytek i elastycznych łączników między nimi. Obiekt wydrukowany został w pozycji złożonej. Wystarczy lekkie dotknięcie, by naprężenia w arkuszu spowodowały jego powrót do „zaprogramowanej” w czasie druku postaci. W badaniu wykorzystany został Ultimaker 3, sztywne płytki o grubości 1,2mm powstały z PLA, zaś elastyczne łączniki, o grubości 1,0mm – z TPU. Udany eksperyment zachęca do podjęcia prób z bardziej skomplikowanymi kształtami. Naukowcy skonstruowali więc jeszcze chwytak.

Opanowanie tworzenia samoskładających się konstrukcji może okazać się ważne na przykład w podróżach kosmicznych, umożliwiając stosowanie składanych żagli słonecznych i elektroniki bez potrzeby stosowania podatnych na uszkodzenia ciężkich mechanizmów stabilizujących i siłowników. Z bardziej przyziemnych – dosłownie – zastosowań, ciekawym pomysłem mogą być mapy, ulotki dołączane do leków, namioty i wiele, wiele innych rzeczy, z których składaniem możemy mieć problem.