Programmazione di mesosuperfici curve 3D mediante design a microreticolo
La natura offre una vasta gamma di strumenti per creare microstrutture cellulari, come quelle che si trovano nei fiori, nelle foglie e in altri tessuti biologici. Tuttavia, la progettazione di forme 3D complesse e curve che riproducano queste strutture rimane un’impresa difficile, soprattutto con le tecniche di stampa tradizionali. Per superare questa sfida, Cheng et al. hanno sviluppato un metodo di progettazione razionale inversa che consente di ottenere mesosuperfici curve 3D attraverso l’assemblaggio di pellicole 2D.
Il metodo di progettazione inversa si basa sulla modellazione analitica e sui calcoli per la progettazione dei modelli 2D, che consentono di controllare la porosità finale delle strutture. In questo modo, è possibile creare forme 3D con microstrutture cellulari simili a quelle presenti in natura. Il design razionale del microreticolo consente la trasformazione di film 2D in mesosuperfici curve 3D programmabili attraverso l’assemblaggio guidato meccanicamente. Inoltre, un approccio computazionale basato sull’apprendimento automatico viene utilizzato per programmare le forme e determinare i modelli di microreticolo 2D eterogenei richiesti per le superfici curve 3D di destinazione.
Il metodo di progettazione inversa di Cheng et al. presenta numerosi vantaggi rispetto alle tecniche di stampa tradizionali. In primo luogo, consente di creare forme complesse e curve che possono essere difficili da ottenere con le tecniche di stampa tradizionali. In secondo luogo, il controllo della porosità finale delle strutture offre maggiori possibilità di personalizzazione delle forme, a seconda dell’applicazione specifica. Infine, il metodo di progettazione inversa consente di utilizzare una vasta gamma di materiali, come silicio, metalli, chitosano e polimeri.
Gli esempi di applicazione del metodo di progettazione inversa di Cheng et al. sono numerosi e diversificati. Tra i più interessanti, troviamo un dispositivo elettronico cardiaco conformabile, un attuatore a doppia modalità simile a una pastinaca e un’impalcatura cellulare elettronica 3D. Questi esempi dimostrano le potenzialità di questo approccio nella creazione di strutture tridimensionali con microstrutture cellulari simili a quelle presenti in natura, che possono trovare applicazione in numerosi campi, dalla biotecnologia all’elettronica, passando per la medicina rigenerativa e la robotica.
I ricercatori della Tsinghua University hanno sviluppato un metodo di progettazione inversa per migliorare la consistenza delle superfici porose delle strutture stampate in 3D. Utilizzando triangoli e nastri di dimensioni micron, hanno creato una griglia su cui costruire le strutture superficiali. Il loro lavoro è stato presentato sulla rivista Science.
In natura, la disposizione delle cellule crea strutture superficiali porose uniche che sono impossibili da riprodurre con l’attuale tecnologia di stampa 3D. Tuttavia, il team della Tsinghua University ha fatto un passo avanti verso l’imitazione, creando una griglia digitale di minuscoli triangoli e nastri per ricreare la disposizione delle cellule. Hanno utilizzato un metodo di progettazione inversa basato sulla teoria della deformazione del raggio curvo e un algoritmo di apprendimento automatico per generare le forme desiderate utilizzando la griglia digitale.
Il team è stato in grado di stampare numerose strutture con superfici altamente porose utilizzando una stampante 2D. Hanno creato oggetti testurizzati come sfere, ma anche oggetti più complicati come un peperone, una formica e un polpo. La tecnologia sviluppata dal team della Tsinghua University può essere utilizzata con una vasta gamma di materiali, tra cui silicio monocristallino, metalli, chitosano e grafene tagliato al laser.
Inoltre, la struttura può essere utilizzata per incorporare sensori in una lente a contatto o per studiare le proprietà elettriche dei neuroni nella parte posteriore dell’occhio. In sintesi, il metodo di progettazione inversa sviluppato dal team della Tsinghua University rappresenta un importante passo avanti nella creazione di strutture tridimensionali con superfici altamente porose, che possono trovare applicazione in diversi campi, dalla medicina alla robotica.
