De 4D-orchis trekt op vier manieren tegelijk krom.

Harvard-onderzoekers hebben een techniek ontwikkeld om 3D-prints te maken die op een voorspelbare manier vervormen bij contact met vocht. Net als levende planten doen, schrijven Jennifer Lewis en collega’s in Nature Materials.

Ze omschrijven het als ‘biomimetisch 4D-printen’, waarbij tijd de vierde dimensie is. Je zou er bijvoorbeeld biomedische implantaten mee kunnen maken die pas ná plaatsing hun definitieve vorm aannemen.

De gebruikte inkt is een hydrogel, die in wezen bestaat uit een oplossing van cellulose-nanovezels en nanokleideeltjes in een uv-gevoelige hars, bijvoorbeeld N,N-dimethylacrylamide. Je verspuit het met een inkjet-printkop, waarbij de vezels zich dankzij de inwendige afschuifkrachten vanzelf uitlijnen. Meteen daarna laat je het met uv-licht uitharden, warbioj het acrylamide polymeriseert en crosslinks vormt met de kleideeltjes. Als alles goed is wordt de oriëntatie van de vezels daarbij als het ware bevroren.

De resulterende hydrogel zwelt op wanneer ze in contact komt met water. En dwars op de vezels is die zwelling viermaal zo groot als parallel daar aan. Als je dus meerdere lagen over elkaar print, wordt de manier waarop het eindresultaat krom trekt bepaald door de richting van de afzonderlijke printsporen.

Voor het gewenste effect moet je dus om te beginnen je werkstuk uitprinten in een bepaalde volgorde. Standaard-printersoftware hanteert daarvoor heel andere criteria, maar volgens de auteurs is het wiskundig gezien niet eens zo moeilijk om een alternatief stuur-algoritme op te stellen.

De mate van kromming stel je vervolgens in door te spelen met de lengte, de concentratie en de aard van de vezels, en met andere details van de harssamenstelling. Als je beschikt over een printer met meer dan één kop kun je ook verschillende harsmengsels door elkaar printen om nog ingewikkeldere vormen te krijgen.

Lewis en collega’s hebben zo al een complete bloem van een wilde orchidee nagebootst, die zichzelf levensecht uitvouwt.

bron: Wyss Institute, Nature Materials