Un gruppo di ricercatori dell’Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) ha sviluppato una stampante 4D per materiali intelligenti con proprietà magnetiche ed elettromeccaniche, che ha applicazioni nel campo biomedico. Questa macchina consente di programmare la risposta del materiale in modo che il cambiamento di forma avvenga sotto un campo magnetico esterno o che i cambiamenti nelle sue proprietà elettriche si sviluppino sotto deformazione meccanica. Questo apre le porte alla progettazione di robot morbidi o sensori intelligenti e substrati che trasmettono segnali a diversi sistemi cellulari, tra le altre applicazioni.
La stampante 4D consente la produzione di materiali multifunzionali morbidi adattando continuamente i parametri di estrusione. Combinando metodi sperimentali e computazionali, stampa materiali conduttivi e magnetoattivi con proprietà meccaniche che imitano i tessuti biologici.
Questa linea di ricerca si concentra sullo sviluppo di strutture morbide multifunzionali, costituite da materiali con proprietà meccaniche che imitano i tessuti biologici come il cervello o la pelle. Inoltre, sono in grado di cambiare forma o proprietà se attivati da stimoli esterni, come campi magnetici o correnti elettriche.
Il lavoro presentato nel loro ultimo studio ha permesso loro di aprire nuove possibilità sviluppando una nuova metodologia di stampa 4D. I ricercatori hanno sviluppato una metodologia interdisciplinare che combina tecniche teoriche e sperimentali consentendo loro di costruire da zero il dispositivo di stampa, sia la parte fisica del dispositivo (l’hardware) che i programmi informatici che ne consentono il controllo (il software).
Gli scienziati sono stati in grado di stampare tre tipi di materiali funzionali: alcuni che cambiano forma e proprietà in risposta a campi magnetici esterni; altri con capacità di autoguarigione; e altri le cui proprietà elettriche (conducibilità) variano a seconda della loro forma o deformazione. La combinazione di materiali con capacità autoriparanti e le cui proprietà di conduzione elettrica variano con la deformazione apre enormi possibilità nello sviluppo dei sensori.
Questi progressi, che hanno portato a diversi brevetti registrati, possono portare alla progettazione di sensori che raccolgono informazioni sul nostro movimento dalle variazioni della conduttività elettrica e la capacità di autorigenerazione del materiale consente la progettazione di sensori con segnali binari. Questi materiali possono anche essere utilizzati per progettare robot morbidi le cui prestazioni possono essere controllate da campi magnetici.
Il capo del progetto Daniel Garćia González ha spiegato:
“Questa tecnologia ci consente non solo di controllare il modo in cui stampiamo strutture tridimensionali, ma anche di dare loro la possibilità di cambiare le loro proprietà o geometria in risposta all’azione di campi magnetici esterni, o la capacità di modificare le loro proprietà elettriche quando si deformano”.
Questo è più complesso di quanto tu possa immaginare. UC3M spiega:
“Questo tipo di stampa è complesso poiché il materiale da estrudere passa da liquido a solido durante il processo di stampa. È quindi necessario comprendere le dinamiche del materiale per adattare il processo di fabbricazione e ottenere un materiale che sia sufficientemente liquido quando scorre attraverso l’ugello della stampante ma, allo stesso tempo, abbastanza solido da mantenere una forma specifica. A tal fine, hanno sviluppato una metodologia interdisciplinare che combina tecniche teoriche e sperimentali consentendo loro di costruire da zero il dispositivo di stampa, sia la parte fisica del dispositivo (l’hardware) che i programmi informatici che ne consentono il controllo (il software ).”
Il progetto ha anche sviluppato un materiale “autorigenerante” che può essere utilizzato con la stampante 4D. Ciò è particolarmente gradito, poiché anche gli oggetti che si piegano potrebbero sviluppare dei difetti. Con il nuovo materiale, questi difetti potrebbero non apparire mai.
Quali applicazioni potrebbero esserci in futuro per questa tecnologia? Gonzalez ha spiegato:
“Possiamo pensare a sensori che, attaccati al nostro corpo, raccolgono informazioni sul nostro movimento dalle variazioni della conduttività elettrica. Inoltre, la capacità di autorigenerazione del materiale consente la progettazione di sensori con segnali binari. Ad esempio, se abbiamo avuto un infortunio al ginocchio e abbiamo bisogno di limitare la rotazione a un valore massimo, possiamo incorporare una piccola fascia di questo materiale sopra la nostra articolazione. In questo modo, quando superiamo questa rotazione massima, il materiale si romperà mostrando un brusco cambiamento nelle sue proprietà elettriche, fornendo così un segnale di allarme. Tuttavia, quando si riporta il ginocchio in uno stato rilassato, la capacità di guarigione del materiale comporterà il ripristino del segnale elettrico. In questo modo possiamo monitorare i nostri movimenti e avvertire di condizioni rischiose dopo l’intervento chirurgico o durante i periodi di riabilitazione.
