Strutture biomimetiche stampate in 4D: ispirate alle conifere

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.”

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