I ricercatori canadesi e tedeschi seguono questa linea sottile dal 3D alla 4D, condividendo le loro scoperte in ” Strutture biomimetiche stampate in 4D e strutture a lembo capaci di movimento multifase” , recentemente pubblicato in Philosophical Transactions of the Royal Society A .
Poiché gran parte del movimento 4D è incentrato su oggetti che possono deformarsi e poi ritornare alla loro forma iniziale, gli scienziati coinvolti in tale ricerca sono generalmente concentrati sullo studio di una vasta gamma di materiali, dai compositi rinforzati ai biopolimeri , metamateriali e altro . Qui, gli autori si occupano di un complesso “composito igroscopico biomimetico”.
Non è raro scoprire che gli scienziati sono ispirati dalla natura e in modi affascinanti. Per non deludere qui, gli scienziati sono stati motivati a creare materiali biomimetici a causa della reversibilità a forma di scaglie di semi di cono di pino bhutan (Pinus wallichiana). Nello studio della complessità delle squame di semi di pigna, i ricercatori speravano di creare “sistemi versatili e autosufficienti di bilancia e lembo”.
In relazione alla deformabilità della 4D, i ricercatori hanno studiato in che modo i pigne sono influenzati dall’umidità nel loro ambiente, rimanendo chiusi mentre sono bagnati, mantenendo i loro semi protetti e quindi aprendosi quando è asciutto, consentendo ai semi di essere rilasciati dal vento.
“Tali risposte al movimento passive guidate dall’acqua sono nastiche e, quindi, strutturalmente” programmate “nelle singole scale di semi”, hanno spiegato i ricercatori. “Ogni scala forma una struttura funzionale a doppio strato attraverso una gradazione nella sua struttura tissutale, dalle cellule sclereidi nella parte inferiore della scala a una regione di fili sclerenchimatici nella parte superiore.”
Lo strato sclereide funge da strato di attuazione, mentre lo strato sclerenchimatoso funge da strato resistente. Insieme, gli strati si piegano verso l’alto a causa dei livelli di umidità o si piegano verso il basso dopo l’asciugatura, con l’apertura del cono.
“Inoltre, l’integrità strutturale delle scale dei coni può essere conservata per milioni di anni, evidenziando una straordinaria resilienza funzionale e robustezza”, hanno affermato i ricercatori. “La stratificazione della struttura funzionale a doppio strato della scala dei pignoni non è omogenea e le dimensioni dei tessuti sclereide e sclerenchimatoso variano lungo la lunghezza della scala individuale.”
Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato una stampante 3D FFF con “compositi leggeri ad alte prestazioni”, insieme a polimeri rinforzati e anche compositi di legno, miscelati con una matrice polimerica di co-poliestere e in grado di imitare lo strato sclereide inferiore rigonfiabile. Hanno anche usato l’ABS poiché è ancora vulnerabile all’umidità ma “subisce cambiamenti dimensionali trascurabili rispetto al WPC”. Per questa ragione, i ricercatori hanno usato materiale ABS per imitare lo strato superiore più rigido mentre creavano un campione funzionale.
Il team di ricerca ha creato 54 sequenze di movimenti della scala di pigne, imitando un ambiente naturale sottoponendo il materiale alternativamente a un forno di essiccazione e un acquario. Hanno anche notato che dopo tutta la sperimentazione, la scala era ancora intatta e senza segni di delaminazione.
I ricercatori sono stati in grado di trasferire una sequenza di movimento osservata tramite le scale della pigne in una scala artificiale stampata in 4D, offrendo in futuro potenzialità per altri studi approfondendo la robotica e i metodi per innescare il movimento come passi.
“Per applicazioni architettoniche, questi nuovi movimenti di attuazione multi-stadio possono aprire la strada allo sviluppo di sistemi di facciata avanzati e ad azionamento passivo, con capacità di cambiamento di forma altamente su misura”, hanno concluso i ricercatori. “È una prospettiva molto promettente per futuri studi biologici per studiare l’interrelazione dell’architettura di scala (caratteristiche cellulari in diverse regioni) in combinazione con la biomeccanica della scala (ad esempio mediante misurazioni AFM) e l’evaporazione locale successiva dell’acqua (probabilmente tramite la risonanza magnetica), portando del tutto al movimento multifase osservato.
“Le nostre analisi mostrano il potenziale delle analisi di spostamento e deformazione 3D a campo pieno per la valutazione e la validazione dei principi di movimento in impianti e strutture tecniche.”
La 4D ha stampato scale artificiali distinte deformando la flessione della deformazione, di tre diverse architetture a doppio strato A, B e C (d), su essiccazione. Tutte e tre le scale sono bloccate nella regione basale e presentano una flessione continua, monofase, dell’attuazione del cambiamento di curvatura prevalentemente ad asse singolo. Ogni campione mostra una deformazione differenziata del cambiamento di forma basata sull’architettura a doppio strato (d). Partendo completamente bagnato (t = 0, set di immagini1), il campione A (a) presenta una notevole curvatura longitudinale con trascurabile curvatura trasversale, il campione B (b) presenta la condizione opposta con una notevole curvatura trasversale con trascurabile
curvatura longitudinale, il campione C (c) presenta un cambiamento di curvatura a circa 45 ° dall’asse longitudinale, provocando una torsione. Tutti i campioni mostrano un singolo stadio di attuazione (set di immagini 1–6) con un continuo cambiamento di curvatura lungo un singolo asse primario: il campione A (a) presenta un cambio continuo di curvatura lungo l’asse longitudinale, il campione B (b) lungo l’asse trasversale mentre il campione C (c) la deformazione può essere descritta come una deformazione continua a “torsione” bidirezionale. Poiché l’obiettivo è ottenere il movimento a due stadi biassiale della scala del pino, come da $ 1,2 (cfr. Figura 1m), la costante curvatura dell’asse singolo su tutta la scala, ottenuta da questi tre campioni (A – C), non è adatto agli obiettivi prestazionali richiesti. (Versione online a colori.)
foglie stampate in 4D con architettura a doppio foglie stampate in 4D con architettura a doppio strato “intrecciato” e con trama raster WPC a 0 ° dall’asse longitudinale della bilancia. Avendo lo stesso modello raster stampato in 3D per tutte e tre le serie di campioni (a), le scale 4D mostrano deformazioni di forma diverse quando completamente bagnate (c) in risposta alle modifiche ai vincoli del doppio strato sia sull’asse longitudinale e laterale che sul bordo del bordo della scala (b). I campioni con vincoli singoli in direzione longitudinale o laterale (set di campioni 2-4, B e C) presentavano una semplice deformazione di flessione perpendicolare alla direzione del vincolo, coerente con il semplice comportamento a doppio strato. I campioni con vincoli in entrambi gli assi (set 2–4, campioni A) presentavano una deformazione di flessione. I campioni senza vincoli assiali presentavano un cambiamento di forma molto limitato (set 2–4, campioni D). (Versione online a colori.)trato “intrecciato” e con trama raster WPC a 0 ° dall’asse longitudinale della bilancia. Avendo lo stesso modello raster stampato in 3D per tutte e tre le serie di campioni (a), le scale 4D mostrano deformazioni di forma diverse quando completamente bagnate (c) in risposta alle modifiche ai vincoli del doppio strato sia sull’asse longitudinale e laterale che sul bordo del bordo della scala (b). I campioni con vincoli singoli in direzione longitudinale o laterale (set di campioni 2-4, B e C) presentavano una semplice deformazione di flessione perpendicolare alla direzione del vincolo, coerente con il semplice comportamento a doppio strato. I campioni con vincoli in entrambi gli assi (set 2–4, campioni A) presentavano una deformazione di flessione. I campioni senza vincoli assiali presentavano un cambiamento di forma molto limitato (set 2–4, campioni D). (Versione online a colori.) 
Processo multimateriale di stampa 3D per creare pinescales artificiali stampate in 4D. Diversi modelli raster sono stati prodotti utilizzando ABS e WPC per testare e valutare architetture a doppio strato adatte. (a) Dopo la stampa, tutti i campioni sono laminari e non presentano curvature in direzione longitudinale o assiale. (b) Foto del processo di stampa 3D che espone l’architettura “a trama” a più stati di completamento della stampa. (Versione online a colori.) 
Il modello funzionale 4D della deformazione bi-assiale della curvatura. Un set iniziale di scale stampate in 3D che utilizzano regioni a doppio strato differenziate composte da uno strato di vincolo di TPU orientato e uno strato igroscopico orientato di WPC. (a) I campioni stampati 4D completamente bagnati mostrano diverse deformazioni a doppia curvatura in risposta alla struttura a doppio strato localizzata. (b) Regioni localizzate del modello raster WPC in relazione alla forma globale della scala. (c) La direzione dell’espansione indotta igroscopicamente sullo strato di WPC mostrata in relazione all’asse dominante del vincolo orientato della TPU. (Versione online a colori.) (Sul retro.) Morfologia e cinematica funzionali della scala dei semi di pigne. Le squame reagiscono passivamente alle mutevoli condizioni di umidità ambientale che portano a un cono chiuso quando è bagnato (a) e ad un cono aperto quando è asciutto (b). Un cono diviso in due longitudinalmente allo stato secco (c). Lo strato sclereide di attuazione non è strettamente collegato ai fili sclerenchimatosi, che sono incorporati in una matrice di “tessuto marrone” (sensu [15]) (d, e) e si estendono verso l’apofisi apicale (f). Immagini (d – f) modificate da [16]. Immagine di microscopia ottica di una sezione trasversale semi-sottile della struttura funzionale a doppio strato (g), un filo sclerenchimatoso (h), un dettaglio dello strato sclereide (i), un dettaglio del filo sclerenchimatoso (j) e un dettaglio del “tessuto marrone” (k). Microscopia a fluorescenza di una sezione longitudinale semi-sottile macchiata di arancio di acridina di una scala (l). La luminosità indica il grado di lignificazione, che è di intensità crescente nello strato sclereide verso lo strato sclerenchimatoso, alto nel filo sclerenchimatoso stesso e basso nel “tessuto bruno” (abbreviato come “B.”). (m) Il movimento biassiale, bifase, passivo-nastico della scala del cono di semi di pino bhutan (Pinus wallichiana). Una scala di semi inizialmente bagnata (nella vista frontale e laterale, bloccata con la sua parte basale da una pinza) subisce due successivi processi di deformazione di piegatura dopo essiccazione (a circa 20 ° C, circa 50% RH). All’inizio (t = 0) la scala è bagnata, diritta (senza alcuna evidente curvatura longitudinale) e possiede una notevole curvatura trasversale mediante la quale viene ostacolata la flessione longitudinale. Dopo t = 15 min, la sola curvatura trasversale è notevolmente diminuita. In seguito, la scala inizia a piegarsi longitudinalmente fino a raggiungere un angolo di curvatura massimo (che dipende dall’entità dell’essiccamento della scala, cioè dalle condizioni ambientali) dopo t = 60 min. (Versione online a colori.)