- Van code naar slimme, ‘shape-shifting’ objecten geïnspireerd door de natuur
- Kleding, bikini’s en schoenen die van vorm veranderen
- 4D-printtechnologie voor de handhaving van technologische superioriteit in het leger
- Slimme steden met zelf-assemblerende huizen
- De creatie van levend, adaptief weefsel
- Programmeerbare materie – de uitdagingen
3D-printing is in het Engels ook wel bekend als additive manufacturing en viert dit jaar zijn 30ste verjaardag. De technologie bestaat inderdaad al enkele jaren en wordt al in verschillende aspecten van ons leven toegepast. 3D-printtechnologie wordt met name in de verwerkende industrie gebruikt om bijvoorbeeld speelgoed, gereedschap en huishoudelijke apparaten te produceren. Andere toepassingsgebieden zijn de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaart, elektronica en de bouw. Zelfs de medische wereld profiteert van de voordelen van deze technologie en gebruikt het om gehoorapparaten, prothesen en zelfs menselijk weefsel te creëren. 3D-printing is de kern van veel onderzoeksinitiatieven. Men gebruikt de technologie om nieuwe gezichten te creëren voor patiënten met brandwonden en zelfs om voedsel mee te printen. Revolutionair? Jazeker. Maar 4D-printtechnologie doet er nog eens een schepje bovenop.
Als je polymeervezels met ‘vormgeheugen’ toevoegt aan een composietmateriaal, kun je met een 3D-printer een object afdrukken dat in een andere vorm verandert zodra het wordt blootgesteld aan bepaalde temperaturen, licht of vochtgehalten. Ontwikkelaars proberen hiermee eigenlijk robotloze robotica te creëren – materiaal dat het vermogen heeft om van vorm te veranderen na blootstelling aan energie – zonder het gebruik van elektronica en printplaten.
Van code naar slimme, ‘shape-shifting’ objecten die geïnspireerd zijn door de natuur
4D-printtechnologie krijgt al behoorlijk wat aandacht in laboratoria maar voor ‘de gewone burger’ is het concept nog niet zo bekend. In principe is de technologie geïnspireerd door de manier waarop dingen in de natuur van vorm veranderen en zelf-herstellend en zelf-replicerend zijn – als reactie op externe omgevingsfactoren zoals zonlicht, vocht of temperatuur.
>Met 4D-printing worden vlakke objecten gebruikt die van nanocomposieten zijn gemaakt: gel-achtige, slimme materialen. Aan deze objecten worden vervolgens dimensies als tijd en geheugen toegevoegd. Als deze nanocomposieten worden blootgesteld aan atmosferische en sensorische veranderingen, kunnen ze van vorm veranderen. Dit is mogelijk omdat de slimme composieten met computercode worden voorgeprogrammeerd. Deze code bepaalt de richting, de frequentie en de hoeken waaronder het samengestelde materiaal kan krullen, groeien, draaien, buigen of krimpen.
De belangrijkste innovatie in 4D-printtechnologie is het feit dat de slimme materialen de pre-geprogrammeerde informatie kunnen opnemen zodat ze zichzelf kunnen assembleren. Hiermee kunnen de materialen leren hoe ze dynamisch moeten reageren op hun omgeving.
4D-printing gaat de wereld veranderen. Sterker nog, de veranderingen zijn al begonnen. Er zijn al diverse interessante wetenschappelijke technieken ontwikkeld om ‘shape-shifting’ structuren en zelfs levend weefsel te produceren. Sectoren die met name kunnen profiteren van adaptieve composietmaterialen zijn de productie-industrie en zelfs de biomedische industrie. Kleding, banden en schoenen kunnen worden geprogrammeerd om hun vochtdoorlatendheid of grip te veranderen, afhankelijk van het weer. Auto’s kunnen worden geprogrammeerd om hun snelheid te verhogen of verlagen door hun aerodynamische componenten aan te passen. Meubilair kan zo worden geprogrammeerd dat het zichzelf in elkaar kan zetten. De potentiële mogelijkheden zijn eindeloos.
Kleding, bikini’s en schoenen die van vorm veranderen
‘Slimme kleding’ zou binnenkort weleens een hele andere betekenis kunnen krijgen. Tot voor kort konden 3D-printers alleen harde objecten afdrukken en eerdere pogingen om kleding te printen resulteerden in ‘draagbare kunst’ in plaats van echte praktische kledingstukken. Een van de manieren waarop het probleem van de stugheid van 3D-printwerk werd opgelost was door de kunststof onderdelen te verkleinen en het kledingstuk met de hand in elkaar te zetten. Een voorbeeld daarvan is de N12, een 3D-geprinte bikini van Continuum Fashion, gemaakt van duizenden kleine cirkels die door kleine ringetjes met elkaar verbonden zijn.
Maar 4D-printtechnologie gaat nog een stap verder. Tijdens het Kinematics Dress project van Nervous System werd een 4D-geprinte jurk gemaakt waarvan het materiaal net zo kan bewegen als echte stof. Met verbeterde materialen, 4D-printtechnologie Kinematics, designsoftware en algoritmes kon er in één keer een jurk geprint worden. De jurk ‘rolde’ op maat en volledig draagbaar uit de printer. Hij is gemaakt van 2.279 scharnierende, driehoekige deeltjes waardoor de jurk vloeiend meebeweegt met het lichaam van de drager. De jurk werd opgevouwen geprint, zodat hij in de printer paste. Na het printen hoefde alleen het overtollige nylonpoeder eraf geblazen worden. Daarna transformeerde de jurk, die op een opgevouwen pop leek, in een vlinder. Het kledingstuk is te bezichtigen in het Museum of Modern Art in New York. 4D-programmering wordt ook getest voor het ontwikkelen van slimme schoenen die zich kunnen aanpassen aan externe omstandigheden zoals beweging, impact, temperatuur en atmosferische druk. Wandelschoenen kunnen in de toekomst dan ook zonder probleem veranderen in hardloop- of basketbal schoenen.
4D-printtechnologie voor de handhaving van technologische superioriteit in het leger
Het Amerikaanse leger investeert in diverse innovaties zoals nieuwe camouflage-technologieën en nanotechnologie om militairen en militaire objecten onzichtbaar te maken voor het menselijk oog en voor microgolven. Omdat technologische superioriteit in het leger hoog in het vaandel staat is het dan ook geen verrassing dat zij interesse hebben in 4D-printtechnologie. 3D-geprinte uniformen, verrijkt met 4D-intelligentie, zouden zich dusdanig aan de omgeving kunnen aanpassen dat soldaten beschermd zijn tegen extreem hoge of lage temperaturen. Ook zouden de 4D-uniformen zich qua kleuren kunnen aanpassen aan de omgeving voor optimale camouflage. Vrachtwagens en andere voertuigen gemaakt van 4D-geprint materiaal zouden betere prestaties kunnen leveren door zich aan te passen aan de specifieke omstandigheden in de omgeving.
Slimme steden met zelf-assemblerende gebouwen
Voor het bouwen van structuren en gebouwen in onze steden passen we steeds geavanceerdere methoden en processen toe. De materialen die we gebruiken zijn echter ‘statisch’ en om de gebouwen en structuren hun uiteindelijke, beoogde vorm te geven hebben we nog steeds machines en mankracht nodig. Met 4D-printtechnologie kunnen we in de slimme stad van de toekomst structuren maken die veerkrachtiger en lichter in gewicht zijn en zichzelf kunnen aanpassen aan veranderingen in de omgeving. We printen straks complete gebouwen die plat verpakt zijn en zichzelf op de plaats van bestemming kunnen assembleren zodra ze aan externe stimuli zoals zwaartekracht, water, warmte of licht worden blootgesteld. Ook waterleidingen kunnen met 4D-printtechnologie zo geprint worden dat ze zich aan veranderingen in de grond kunnen aanpassen door te krimpen of uit te zetten. En wat dacht je van gaten in onze wegen die zichzelf herstellen? De mogelijkheden zijn ook voor dit soort toepassingen eindeloos.
De creatie van levend, adaptief weefsel
De ontwikkelingen in 4D-printtechnologie in de gezondheidszorg maken het in de toekomst mogelijk om actieve, adaptieve cellen te creëren waarmee geïmplanteerd 4D-geprint weefsel zich kan aanpassen aan de veranderingen in het lichaam van de patiënt. De mogelijkheden die zich ontwikkelen met deze technologie verschuiven langzaam maar zeker van het anorganische naar het biologische. Een van de talloze mogelijke toepassingen in de gezondheidszorg is het printen van weefsel voor huidtransplantaties. Na verloop van tijd kan 4D-geprinte huid van vorm veranderen waardoor het een veelbelovende oplossing wordt voor brandwonden. Andere toepassingen zijn onder meer medische implantaten. 4D-printtechnologie kan van vorm veranderende structuren en functionaliteit creëren waardoor externe interventie niet meer nodig is. Het doel is om ‘onderdelen’ te printen die in het lichaam van de patiënt kunnen overleven zolang hij of zij leeft. Wetenschappers in bio-programmeerbare materie en nanotechnologie zijn ook bezig met de ontwikkeling van ‘gepersonaliseerde geneeskunde’ en ‘slimme farmacologie’. Onderzoeksprojecten zoals ‘DNA-origami’ tonen aan dat eiwitstructuren op nano-schaal in staat zijn om nanorobots te creëren die kankercellen in het lichaam van een patiënt kunnen opsporen en vernietigen.>
Programmeerbare materie – de uitdagingen
Met de exponentiële ontwikkelingen in de nanotechnologie, materiaalkunde en andere technologieën is het binnenkort mogelijk om materie te programmeren. De voordelen van 4D-printing, zoals aanpassingsvermogen, maatwerk en kostenbesparingen staan buiten kijf. Er zijn echter ook uitdagingen en risico’s. De technologie kan in verkeerde handen vallen en gebruikt worden voor schadelijke en criminele doeleinden. Het kan ook problemen veroorzaken met betrekking tot patenten, octrooien en intellectueel eigendomsrecht – vooral als het gaat om herproductie. Dan is er nog de kwestie van aansprakelijkheid en verantwoordelijkheid. Als een 4D-geprint object of weefsel kapot gaat of niet meer functioneert, wie is daar dan verantwoordelijk voor? De ontwikkelaar van het slimme materiaal? De programmeur, de fabrikant, de medische specialist? Ook moeten ons realiseren dat materiaal dat geprogrammeerd wordt met logica gevoelig is voor ‘software-bugs’, met alle gevolgen van dien. Denk bijvoorbeeld aan waterleidingen die water de verkeerde kant op pompen of levensbedreigende situaties thuis of in het ziekenhuis. Hoe slimmer en adaptiever materialen zijn, des te groter is ook het risico dat hackers toegang kunnen krijgen tot werkelijk alles.
