L’United States Patent and Trademark Office (USPTO) ha pubblicato un nuovo brevetto depositato da IBM, multinazionale americana del settore informatico. Il documento, identificato come US Patent No. 20250073998 e presentato nell’agosto 2023, descrive un metodo innovativo per il trasporto di microparticelle attraverso l’uso di materiali intelligenti stampati in 4D.
Tecnologia di stampa 4D e funzionamento del sistema
Secondo IBM, i materiali stampati in 4D possono modificare la loro forma in risposta a stimoli esterni come calore, luce, campi magnetici o elettricità. Questa proprietà consente di controllarne il movimento e di trasportare microparticelle di dimensioni comprese tra 1 e 100 micrometri da un punto di partenza a una destinazione specifica, anche in ambienti difficili da raggiungere.
Il processo sviluppato da IBM si avvale di un programma informatico che monitora il movimento dei materiali intelligenti. Se durante il trasporto si verificano deviazioni dal percorso previsto, un sistema basato su apprendimento automatico regola gli input esterni per mantenere le microparticelle sulla traiettoria corretta. Tra le possibili applicazioni di questa tecnologia figurano il trasporto di farmaci, l’assemblaggio di componenti elettronici miniaturizzati, l’uso in bioingegneria e la microfabbricazione.
I ricercatori dietro l’innovazione
Il brevetto vede tra i suoi inventori diversi esperti di additive manufacturing. Tushar Agrawal, ingegnere AI di IBM, ha depositato oltre 180 brevetti, tra cui una proposta per la stampa 3D di materiali decomponibili con monitoraggio del loro deterioramento nel tempo. Sarbajit K. Rakshit, architetto di applicazioni, ha contribuito nel 2017 al brevetto IBM per la stampa 3D di ologrammi.
Tra gli altri autori figurano Vinod A. Valecha, ex sviluppatore IBM, che ha contribuito alla progettazione di un sistema di stampa 3D continua con piatti di stampa pieghevoli, e Su Liu, identificato come Master Inventor di IBM.
Fasi operative del processo
Il sistema IBM inizia quando un utente invia una richiesta per il trasporto di microparticelle lungo un determinato percorso. Ogni richiesta deve includere informazioni fondamentali come dimensione, forma, peso e composizione dei microparticelle, oltre a dettagli sulle condizioni ambientali in cui avverrà il trasporto. Il materiale intelligente stampato in 4D può muoversi in ambienti diversi, come impianti industriali, tratte intestinali o arterie umane.
Un modello di machine learning analizza la richiesta e genera un oggetto stampabile in 4D, ottimizzato per il trasporto delle microparticelle. I materiali utilizzati includono leghe a memoria di forma e polimeri a memoria di forma, entrambi capaci di tornare alla loro configurazione originaria dopo essere stati riscaldati o deformati.
Se le microparticelle sono sufficientemente piccole, possono essere attaccate direttamente alla superficie dell’oggetto 4D. Per particelle più grandi e pesanti, IBM suggerisce l’uso di contenitori rigidi stampati in 3D, in grado di fissarsi ai materiali intelligenti e trasportare il carico in sicurezza.
Una volta attivato, il sistema applica uno stimolo esterno che induce la deformazione del materiale intelligente e ne provoca il movimento. Ad esempio:
Il calore può causare la piegatura o la flessione dei materiali a memoria di forma.
La luce può generare movimenti nei materiali fotoreattivi.
I campi magnetici possono essere utilizzati per attrarre o respingere l’oggetto 4D, guidandolo lungo il percorso prestabilito.
Il modello di machine learning monitora costantemente il movimento dell’oggetto durante il trasporto. Se rileva ostacoli o deviazioni, il software analizza immediatamente il problema e regola gli input per correggere la traiettoria. Quando le microparticelle raggiungono la destinazione, il sistema disattiva lo stimolo esterno, fermando il movimento e completando il trasporto.
Possibili applicazioni della tecnologia IBM
IBM ritiene che questa innovazione possa essere impiegata in diversi settori. Alcune applicazioni includono:
Somministrazione mirata di farmaci, trasportando principi attivi direttamente in organi o tessuti specifici.
Assemblaggio di componenti elettronici miniaturizzati, garantendo una precisione elevata nella disposizione dei microelementi.
Movimentazione di microparticelle in ambienti ristretti, laddove le tecnologie di produzione tradizionali o i robot non possono operare.
L’evoluzione della stampa 4D
L’idea della stampa 4D non è nuova, ma continua a trovare nuove applicazioni. Nel 2021, un gruppo di ricercatori della Tianjin University in Cina ha sviluppato un robot morbido stampato in 4D, capace di muoversi autonomamente. Il dispositivo, realizzato in elastomero a cristalli liquidi, poteva autoassemblarsi sotto l’effetto del calore e sfruttare una sequenza di piegature per generare movimento.
Un altro esempio arriva da un team di ricerca tedesco, egiziano e degli Emirati Arabi Uniti, che ha progettato allineatori dentali stampati in 4D con capacità di memoria. Realizzati con la resina ClearX, questi dispositivi ortodontici si ammorbidiscono quando inseriti in bocca, adattandosi alla dentatura del paziente e riposizionando gradualmente i denti. La tecnologia consente di modificare progressivamente la forma degli allineatori, riducendo la necessità di sostituzioni frequenti.
Infine, un gruppo di scienziati della Queen’s University Belfast ha sviluppato impianti mammari stampati in 4D per il trattamento del cancro al seno. Questi impianti possono adattarsi alla cavità tissutale del paziente e modificare la loro dimensione per migliorare l’integrazione nel corpo. Inoltre, possono essere programmati per rilasciare farmaci chemioterapici, contribuendo alla prevenzione delle recidive.
Conclusioni
Con questo brevetto, IBM dimostra il potenziale della stampa 4D nell’integrazione tra materiali intelligenti e tecnologie di machine learning. L’applicazione di questi sistemi potrebbe trasformare diversi settori, dalla medicina alla microfabbricazione, introducendo nuovi metodi di trasporto e manipolazione di materiali su scala ridotta. L’evoluzione della stampa 4D sta aprendo nuove possibilità per l’industria e la ricerca scientifica, offrendo soluzioni avanzate per sfide tecniche complesse.
