วิธีการพิมพ์จำแลงรูปร่างทรงเกลียว 4D
การพิมพ์ 4 มิติมีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างวัตถุที่สามารถสร้างตัวเองและโต้ตอบกับโลกได้
“เราสามารถพิมพ์หุ่นยนต์ที่เดินออกจากเครื่องพิมพ์ได้หรือไม่”
คำถามนั้นเกือบจะฟังดูเหมือนเป็นเรื่องตลก แต่ Hod Lipson ไม่ได้ล้อเล่น Lipson เป็นวิศวกรที่ Cornell University ใน Ithaca, N.Y. และเขาได้ออกความท้าทายดังกล่าวเมื่อต้นปีนี้ในวารสารวิทยาศาสตร์ 3D Printing and Additive Manufacturing คำถามของ Lipson เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีใหม่ที่เรียกว่าการพิมพ์ 4-D หรือสี่มิติ ในบรรดาวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ Buzz กำลังเติบโตขึ้นในสาขานี้ เพราะมันขยายขอบเขตของสิ่งที่เครื่องพิมพ์สามารถพิมพ์ได้
วัตถุส่วนใหญ่ที่โผล่ออกมาจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติเพียงแค่นั่งอยู่ที่นั่น พวกเขาไม่สามารถทำอะไรได้หากปราศจากการแทรกแซงของมนุษย์ และยังคงเหมือนเดิมไม่ว่าจะไปที่ไหน ในทางตรงกันข้าม วัตถุที่พิมพ์ 4 มิติสามารถตอบสนองและปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมได้ อาจเปลี่ยนรูปร่างหรือขนาดหรือสี
แม้ว่าเทคโนโลยีจะเป็นเทคโนโลยีใหม่ แต่นักวิทยาศาสตร์ก็มีรายการแอพพลิเคชั่นที่เป็นไปได้มากมาย
ลองนึกภาพท่อน้ำที่ “พิมพ์” ที่ดันน้ำไปโดยทำเป็นลูกคลื่นตามความยาวของท่อ ทหารในสนามรบอาจสวมลายพรางที่เปลี่ยนสีเพื่อให้เข้ากับสภาพแวดล้อมหรือสภาพอากาศ ข้อเสนอที่กว้างขวางยิ่งขึ้นรวมถึงสถานีมนุษย์ที่ปรับเปลี่ยนได้ในอวกาศหรือบนดาวเคราะห์ที่ห่างไกลซึ่งอาจใช้การพิมพ์ 4 มิติ และนักวิจัยเช่น Lipson คิดว่าการพิมพ์ 4 มิติอาจมีผลกระทบอย่างมากต่อวิทยาการหุ่นยนต์: เครื่องพิมพ์สามารถพิมพ์หุ่นยนต์ที่สร้างเครื่องพิมพ์ที่สร้างหุ่นยนต์ได้
แต่เพื่อให้แอปพลิเคชันเหล่านี้กลายเป็นความจริง อันดับแรกนักวิทยาศาสตร์ต้องออกแบบวัสดุที่ “ฉลาด” ซึ่งมีหน้าที่ในตัว
หรืออย่างที่ Skylar Tibbits กล่าวไว้ “เป็นไปได้ไหมที่จะตั้งโปรแกรมสิ่งต่างๆ ไม่ใช่แค่คอมพิวเตอร์เท่านั้น” Tibbits นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ในเคมบริดจ์เป็นผู้บุกเบิกการพิมพ์ 4 มิติ “ไม่ใช่แค่การพิมพ์อีกต่อไป” เขากล่าว นอกจากนี้ยังเกี่ยวกับ: “เราจะตั้งโปรแกรมวัสดุใด ๆ เพื่อเปลี่ยนรูปร่างและคุณสมบัติตามความต้องการได้อย่างไร”
การพิมพ์เครื่องช่วยชีวิต
การพิมพ์ 3 มิติได้รับชื่อเพราะพิมพ์วัตถุที่เป็นของแข็งที่มีสามมิติ มิติที่สี่ในการพิมพ์ 4 มิติมาจากเวลา ในวิชาฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ เวลามักถูกมองว่าเป็นมิติที่มาหลังจากความยาว ความกว้าง และความสูง วัตถุที่เป็นของแข็งอาจเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา พวกมันอาจเคลื่อนไหว เปลี่ยนแปลงรูปร่าง หรือเปลี่ยนแปลงในลักษณะอื่น ในทำนองเดียวกัน วัตถุที่พิมพ์ 4 มิติคือสิ่งที่ออกแบบมาเพื่อเปลี่ยนแปลงหลังจากพิมพ์แล้ว
รายการแอปพลิเคชันที่เป็นไปได้สำหรับวัตถุที่พิมพ์ 4 มิติจะครอบคลุมสาขาวิชาและการใช้งานทางวิทยาศาสตร์
Eujin Pei ที่มหาวิทยาลัย Brunel University London ของอังกฤษ ได้นำเสนอตัวอย่าง: ม่านหน้าต่างที่สามารถเปลี่ยนเพื่อให้แสงเข้าได้มากหรือน้อยในระหว่างวัน “บางทีเมื่อแสงแดดส่องเข้ามาและกระทบกับอุณหภูมิที่กำหนด [ผ้าม่าน] จะม้วนตัวและปิดหน้าต่างให้คุณ” เขากล่าว ตอนนี้ต้องปรับมู่ลี่ด้วยมือหรือด้วยคันโยกและมอเตอร์ขนาดเล็ก ข้อดีของการพิมพ์ 4 มิติคือความสามารถในการเปลี่ยนรูปร่างสามารถสร้างขึ้นในวัสดุเองได้โดยไม่ต้องใช้แรงภายนอก “เนื้อหา” เขาอธิบาย “ฉลาดพอที่จะทำสิ่งที่คุณต้องการให้ทำ”
Pei คิดว่าวัสดุ 4 มิติมีบางอย่างที่เหมือนกันกับพืชที่กินเนื้อเป็นอาหาร เช่น ฟลายกับดักดาวศุกร์หรือพืชเหยือก เมื่อแมลงมาเกาะที่ต้นไม้เหล่านี้ มันจะกระตุ้นการตอบสนองอัตโนมัติ โรงงานปิดตัวดักจับแมลงภายในที่ย่อยช้า ที่ให้อาหารแก่พืช ในทำนองเดียวกัน วัสดุ 4 มิติมีการดำเนินการเฉพาะที่เกิดขึ้นเมื่อถูกกระตุ้นเท่านั้น
“หลักการก็เหมือนกัน แม้ว่าวัสดุจะต่างกันมาก” Pei กล่าว
ยาอาจเป็นหนึ่งในส่วนที่สำคัญที่สุดที่การพิมพ์ 4 มิติสามารถสร้างความแตกต่างได้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แพทย์และนักวิทยาศาสตร์ในมิชิแกนได้ทำงานในโครงการที่ใช้การพิมพ์ 4 มิติเพื่อช่วยเหลือเด็กน้อยสามคน เด็กแต่ละคนได้รับการวินิจฉัยว่าเป็นโรคที่คุกคามชีวิต เรียกว่า tracheobronchomalacia (TRAY-kee-oh-BRON-oh-mah-LAY-shee-ah) ทำให้เด็กมีความเสี่ยงสูงที่จะเป็นโรคหลอดลมอักเสบหรือหลอดลมอักเสบขณะหายใจ เด็กชายสองคนอายุน้อยกว่าหนึ่งปี คนที่สามอายุ 16 เดือน
โรคนี้มักจะหายไปเมื่ออายุสองหรือสามขวบ เป้าหมายของแพทย์คือการสร้างอุปกรณ์ที่สามารถฝังในลำคอของเด็กชายเพื่อรองรับพวกเขาในช่วงปีแรก ๆ ที่อันตราย
นักวิจัยใช้คอมพิวเตอร์สร้างภาพเอ็กซ์เรย์สามมิติของหลอดลมของเด็กชาย พวกเขาส่งการสแกนเหล่านั้นไปยังโปรแกรมคอมพิวเตอร์ จากนั้นจึงออกแบบอุปกรณ์ที่เรียกว่า “เฝือกทางเดินหายใจ” ที่สามารถเปิดหลอดลมได้ นักวิจัยได้สร้างอุปกรณ์ดังกล่าวบนเครื่องพิมพ์ 3 มิติโดยใช้พลาสติกชนิดพิเศษที่ปลอดภัยซึ่งคล้ายกับเนื้อเยื่อของหลอดลม แพทย์ทำการผ่าตัดใส่เฝือกลงในเด็กผู้ชายแต่ละคน และอุปกรณ์ก็ใช้งานได้!
ในช่วงสามปีต่อจากนี้ อุปกรณ์ดังกล่าวก็ขยายตัวเมื่อเด็กชายแต่ละคนเติบโตขึ้น และเด็กชายที่เกิดมาพร้อมกับอาการอันตรายถึงชีวิตได้เริ่มใช้ชีวิตตามปกติ
Wonderlab ที่ MIT
ปีที่แล้ว Tibbits ยืนอยู่หน้าหอประชุมที่อัดแน่นในแคลิฟอร์เนียและให้ผู้ชมได้เห็นอนาคต 4-D มันเป็นเส้นบาง ๆ ที่ดูเหมือนน้ำยาทำความสะอาดท่อสีดำ แม้จะดูเรียบง่าย แต่รูปลักษณ์ภายนอกก็หลอกลวงได้ หลังจากที่เกลียวถูกกระโจนลงไปในถังน้ำ มันก็เริ่มกระดิกไปเอง ส่วนปลายบิดขึ้นและบิดเป็นเกลียว ราวกับเกลียวมีบานพับซ่อนอยู่ ส่วนตรงกลางก็บิดเข้าที่ ภายในไม่กี่วินาที เกลียวก็เปลี่ยนจากเส้นตรงเป็นตัวอักษรที่ชัดเจนสามตัว: M-I-T
“ฉันจะว่าอย่างไรได้? ฉันลำเอียง” Tibbits บอกกับฝูงชน (อย่างไรก็ตาม เขาทำงานที่ MIT) เขาและทีมของเขาได้ออกแบบร่วมกับ Stratasys บริษัทการพิมพ์ 3 มิติ
นี่เป็นช่วงเวลาเบา ๆ ในระหว่างการนำเสนอของเขา สิ่งสำคัญเกี่ยวกับเกลียวไม่ใช่สิ่งที่สะกด แต่เป็นวิธีการสร้างและสิ่งที่สามารถทำได้ ความสามารถในการเปลี่ยนจากเส้นตรงเป็นคำถูกสร้างขึ้นในเนื้อหา คุณอาจบอกว่าการกระทำนั้นถูกตั้งโปรแกรมไว้
และเส้นนั้นเป็นเพียงจุดเริ่มต้น นักวิจัยในห้องทดลองของ Tibbits กำลังมองหาวิธีใหม่ๆ ในการพิมพ์สิ่งที่ตอบสนองต่อโลกรอบตัวอยู่ตลอดเวลา นักวิจัยมักอ้างถึงวัสดุดังกล่าวว่า “ฉลาด”
ในห้องแล็บของเขา Tibbits กล่าวว่า “ทุกวันแตกต่างกัน” เขาอธิบายว่าทีมของเขามุ่งมั่นที่จะ “คิดค้นเทคโนโลยีใหม่ ๆ และผลักดันขอบเขตของสิ่งที่เป็นไปได้ และค้นพบวิทยาศาสตร์ใหม่เบื้องหลัง” นักวิจัยกำลังทำงานใน “โครงการต่างๆ มากมาย” พร้อมกัน
งานของพวกเขาเกี่ยวกับการพิมพ์ 4 มิติเริ่มมีความสนใจในการสร้างวัสดุที่ “ประกอบเอง” หรือแปลงร่าง นอกเหนือจากการทำงานกับวัสดุพิมพ์แล้ว พวกเขายังได้ทำงานร่วมกับวัสดุต่างๆ เช่น ไม้ คาร์บอน พลาสติก และโลหะ เพื่อสร้างโครงสร้างที่ประกอบเองได้ พวกเขาได้พบกับบริษัทที่ต้องการสร้างสรรค์ทุกอย่างตั้งแต่ชุดกีฬาไปจนถึงยานอวกาศ เฟอร์นิเจอร์ ไปจนถึงอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ Tibbits กล่าวว่าทีมของเขาพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อให้ผู้อื่นใช้ในแอปพลิเคชัน ทีมของเขาได้สร้างโครงสร้างต่างๆ มากมายที่ “พัฒนาตนเอง” ซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมต่างๆ เช่น น้ำ ความร้อน หรือแสง หลายคนถูกพิมพ์ออกมา
ตอนนี้ท้องฟ้าเป็นขีด จำกัด “เรากำลังเล่นกันอยู่ตลอดเวลา” Tibbits กล่าว
การพิมพ์วัสดุอัจฉริยะมีข้อดีอีกประการหนึ่ง: สิ้นเปลืองน้อยลง Tibbits คิดว่าวัสดุสามารถตั้งโปรแกรมให้ทำงานในลักษณะใดลักษณะหนึ่งและหยุดทำงานในลักษณะใดลักษณะหนึ่งได้
“ผลิตภัณฑ์ที่ตั้งโปรแกรมได้ในอนาคตทั้งหมดเหล่านี้จะไม่ถูกทิ้งเมื่อล้มเหลว” Tibbits กล่าว “พวกเขาจะแก้ไขข้อผิดพลาดและซ่อมแซมตัวเองเพื่อตอบสนองความต้องการใหม่ และถึงแม้จะเลิกใช้แล้ว ก็สามารถถอดแยกชิ้นส่วนเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ได้ พวกเขาสามารถแยกย่อยออกเป็นส่วนประกอบพื้นฐานเพื่อสร้างเป็นผลิตภัณฑ์ใหม่ที่มีความสามารถเหมือนจริงในอนาคต”
ตรวจสอบความเป็นจริง
Kevin Ge Qi ได้ช่วยพัฒนาเทคนิคการพิมพ์ 4 มิติ ในฐานะนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ เขาทำงานกับพลาสติกหน่วยความจำรูปทรงที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีและการออกแบบแห่งสิงคโปร์ วัสดุเหล่านี้สามารถเปลี่ยนจากรูปร่างหนึ่งไปเป็นอีกรูปร่างหนึ่งได้ตามเงื่อนไขที่เปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น อาจถูกกระตุ้นให้เปลี่ยนแปลงเมื่อร้อนขึ้น เปียกน้ำ หรือได้รับแสงสว่างจากแสงบางประเภท
ในห้องทดลองของ Qi นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติเพื่อพิมพ์แผ่นพลาสติกที่สามารถพับตัวเองเป็นรูปทรงต่างๆ พวกเขาเรียกวิธีการนี้ว่า “พับกระดาษที่ใช้งานอยู่” พวกเขาได้พิมพ์แผ่นพับที่พับตัวเองเป็นกล่อง พีระมิด หรือเครื่องบิน การสร้างสรรค์อีกอย่างหนึ่งของพวกเขาคือกล่องสามมิติที่คลี่ออกเป็นแผ่นแล้วกลับเนื้อกลับตัวเป็นกล่อง
เทคโนโลยีการพิมพ์ 4 มิติบ่งบอกถึงอนาคตที่เต็มไปด้วยแอพพลิเคชั่นอัจฉริยะ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ อุปสรรคมากมายยังคงอยู่ก่อนที่อนาคตนั้นจะกลายเป็นความจริง Qi ชี้ให้เห็นถึงความท้าทายใหญ่สองประการ
“ปัจจุบัน ความท้าทายที่สำคัญสำหรับการพิมพ์ 4 มิติคือวัสดุ” เขากล่าว ส่วนใหญ่ที่ใช้ในการผลิตแบบดั้งเดิมไม่เหมาะสำหรับการพิมพ์ 3 มิติหรือ 4 มิติ เขากล่าว นั่นเป็นเหตุผลที่เขาและนักวิจัยคนอื่นๆ พยายามพัฒนาแคตตาล็อกของวัสดุ และส่วนผสมของวัสดุเหล่านั้น ซึ่งน่าจะเป็นประโยชน์
อุปสรรคอีกประการหนึ่งคือขนาด เครื่องพิมพ์สามมิติเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ที่ใช้วัสดุต่างกันสามารถสร้างวัตถุได้ไม่น้อยกว่าสองสามเซนติเมตร แต่มันใหญ่เกินไปที่จะเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานทางการแพทย์ส่วนใหญ่ เขากล่าว “ถ้าเราต้องการพัฒนาเทคโนโลยีไปสู่อุปกรณ์ชีวการแพทย์ ขนาดจะต้องประมาณสองสามไมครอนหรือเล็กกว่านั้น” (ไมครอนคือหนึ่งในล้านของหนึ่งเมตร)
แม้จะมีความท้าทายเหล่านั้น นักวิจัยอย่าง Qi และ Tibbits ก็มองเห็นอนาคตที่สดใส Tibbits กล่าวว่าถึงเวลาแล้วที่จะคิดใหม่ว่าเราสร้างสิ่งต่าง ๆ อย่างไร และการพิมพ์ 4 มิติเป็นวิธีหนึ่งในการทำเช่นนั้น
“เราขอเชิญคุณเข้าร่วมกับเราในการสร้างสรรค์และสร้างสรรค์โลกใหม่” เขากล่าวในแคลิฟอร์เนีย
สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ palumbogallery.com