Svoje potencijale u praksi još nije previše iskazala ni tehnologija 3D ispisa, a već se razvija 4D printanje. Ne znači to, naravno, da se rađa nova dimenzija objekata, nego da se stvaraju novi trodimenzionalni materijali, navodno još mnogo pametniji i bolji. Četvrtu, vremensku dimenziju dobivaju iz okružja. Mijenjaju se, primjerice, čim se izlože temperaturi ili različitim tekućinama
Odjeća koja se sama prilagođava vremenskim uvjetima, namještaj koji se sam sastavlja kad se izvadi iz kutije, cijevi koje same reguliraju širinu u skladu s protokom, proteze koje rastu i raspadaju se čim više nisu potrebne... To su samo neki primjeri sadašnje i buduće primjene 4D ispisa, inteligentnog dizajna koji se prilagođava okolišu i mijenja tijekom vremena. Dok još uvijek pokušavamo razumjeti mogućnosti i granice trodimenzionalnog tiska, pojavio se 4D ispis – digitalna proizvodna tehnologija poput 3D ispisa koja uključuje novu vremensku dimenziju.
Ta tehnologija znači da se tiskani materijal može samostalno modificirati, preoblikovati ili kretati zbog značajki koje reagiraju na okolišne podražaje poput topline, svjetlosti, vlage, tlaka i magnetizma. Prirodni materijali razvili su tijekom evolucije sposobnost reagiranja i prilagodbe na okolišne podražaje stvaranjem složenih struktura sposobnih mijenjati funkcije u smjeru, udaljenosti i vremenu. Tehnologije 3D ispisa mogu rekapitulirati strukturne motive prisutne u prirodnim materijalima, ali trenutačno se ulažu tehnološki napori kako bi se poboljšala razlučivost i brzina ispisa te vjernost oblika.
Živi predmeti
Tehnologija 4D ispisa koristi se 3D pisačima za stvaranje živih trodimenzionalnih objekata bez žica ili krugova korištenjem inteligentnih materijala koji se mogu programirati da mijenjaju oblik, boju ili veličinu pod vanjskim podražajima. Takav je slučaj s hidrogelnim smolama, aktivnim polimerima ili čak živim tkivima. Tiskaju se u 3D s posebnim dizajnom i kad su u kontaktu s vlagom, svjetlom, tlakom ili temperaturom postižu željeni, konačni oblik. 4D ispis omogućuje da se predmet savija, popravlja, sastavlja ili raspada, odnosno dobiva novi oblik ili funkcionalnost reagirajući s okolinom. Izumitelj te revolucionarne tehnologije američki je računalni znanstvenik i dizajner Skylar Tibbits, osnivač i direktor Self-Assembly Laba na Massachusetts Institute of Technology (MIT). Tehnologija 4D ispisa, koju je 2013. predstavio svijetu, privukla je veliku pozornost u znanstvenim i industrijskim krugovima, iako komercijalizacija još uvijek zahtijeva dodatna istraživanja i razvoj.
Naziv 4D ispis smišljen je kako bi označio kombiniranu uporabu aditivne proizvodnje, pametnih materijala i pažljivog dizajna odgovarajućih geometrijskih oblika. Iako je ta tehnologija još u začetku i njome se bavi samo nekoliko tehnoloških laboratorija u svijetu, ima obećavajuću budućnost.
– Počeci 4D ispisa su u uvođenju vremenskog faktora u 3D ispis. Sastoji se od stvaranja trodimenzionalnih objekata koji se trenutačno prilagođavaju okolnostima bez intervencije robota ili ljudi, samo kombinirajući materijale i geometriju s interakcijama, izvor energije i inteligentni dizajn – izjavio je Tibbits.
Promjena oblika
Self-Assembly Lab obavlja pokuse na novim tehnikama 4D ispisa poput rapid liquid printinga, koji omogućuje ispis velikog naslonjača u samo nekoliko minuta, te materijalima poput plastike, gume ili pjene. Tehnologija 4D ispisa pokrenula je novu revoluciju u industriji i medicini, primjerice, znanstvenici sa Sveučilišta u Michiganu spasili su 2015. živote triju beba s teškoćama dišnog sustava umetanjem 4D ispisanog implantata. Taj polikaprolaktonski uređaj, napravljen tako da odgovara svakom pacijentu, prilagođava svoju veličinu rastu djeteta i sam se otapa kad više nije potreban. No stručnjaci su mišljenja da je naziv 4D ispis krivo odabran jer se još uvijek oslanja na 3D pisače. Vrijeme je element koji gura 3D u 4D stvarajući tiskane materijale koji mijenjaju oblik tijekom vremena.
– Prvo morate imati mogućnost 3D proizvodnje, a zatim dodati pametne materijale. 4D ispisane zdravstvene aplikacije možda su najbliže komercijalnim aplikacijama. Materijali koji mijenjaju oblik mogli bi se upotrijebiti za male medicinske uređaje koji se mogu implantirati. Sićušni, mekani uređaji mogu se umetnuti ili ugraditi u ljude i stvrdnuti kad dođu do zahvaćenog područja – poručio je Howon Lee, američki profesor strojarstva i svemirskog inženjerstva na Sveučilištu Rutgers.
Vrijednost tržišta 4D ispisa u zdravstvu u 2021., prema istraživanju ResearchandMarkets.coma, procjenjuje se na samo devet milijuna dolara, a očekuje se da će se do 2026. popeti na 32 milijuna dolara.
'Sposobnost tehnologije 4D ispisa u proizvodnji pametnih medicinskih modela donijet će veliku transformaciju u medicini i podržat će rast ovog segmenta u predviđenom razdoblju', navodi se u izvješću ResearchandMarkets.com.
Nakon cigle, čelika i stakla
Ipak, unatoč malom tržištu, nova istraživanja pokazuju da bi 4D ispis mogao pružiti liječnicima i kirurzima nove alate za stvaranje gotovo svega od zamjenske kože do implantata koji reagiraju na promjene u svojem okružju. Osim toga, očekuje se da će se 4D ispis upotrebljavati u mnogim područjima od građevinarstva, infrastrukture, automobilske industrije, aeronautike... No 4D ispis izravno ovisi o inteligentnim materijalima korištenim za izradu objekta.
– Današnji trodimenzionalni materijalni svijet napravljen je od pasivnih, neživih materijala poput cigle, čelika i stakla. Četverodimenzionalne strukture izrađene su od aktivnih, animiranih, tzv. pametnih materijala koji se kreću autonomno: bubre, skupljaju se ili savijaju kao reakcija na podražaj, a u kombinaciji s pasivnim materijalima. To im omogućuje kretanje i mijenjanje oblika bez robotike, elektronike ili motora – kaže dr. Anna Ploszajski, engleska znanstvenica i stručnjakinja za materijale, navodeći primjer šišarke kao prirodnoga inteligentnog materijala.
Šišarka funkcionira putem dva sloja krutih vlakana koji se kreću u različitim smjerovima omogućavajući otvaranje ili zatvaranje češera, tako da sjeme oslobađa tek kad je vruće i suho vrijeme, što je pogodno za njegovo klijanje u tlu. Kad je vlažnost visoka, šišarka ostaje zatvorena štiteći sjeme. To je jedan od primjer kako je potraga za razumijevanjem i repliciranjem složenih prirodnih procesa prilagodljivosti, otpornosti i učinkovitosti nešto što motivira istraživače materijala. Glavna svrha 4D ispisa je biti u mogućnosti programirati materijal i natjerati ga da reagira u skladu s parametrima okoliša.
– Poboljšan tehnologijom s više materijala, 4D ispis vjerojatno bi mogao revolucionirati sposobnost kontrole i preciznog programiranja materijala od ideje-koncepcije do ispisa transformacija koje mijenjaju oblik – izjavio je Tibbits.
Beskrajne mogućnosti
Mogućnosti 4D ispisa beskrajne su; NASA je s pomoću 4D ispisa razvila inteligentnu metalnu tkaninu koja se zbog izolacijskih karakteristika već upotrebljava za odijela astronauta, a mogla bi se upotrijebiti i za zaštitu svemirskih letjelica i antena od udara meteora. I Airbus testira materijale koji reagiraju na toplinu kako bi ohladio motore svojih zrakoplova te istražuje 4D ispisane komponente koje bi mogle smanjiti težinu i poboljšati performanse zrakoplova. Zahvaljujući 4D ispisu mogu se proizvoditi i inteligentni zračni jastuci koji će predvidjeti svaki udar i smanjiti rizik od ozljeda vozača i putnika...
Tehnologija 4D ispisa bit će važna i u proizvodnji hrane iako se zasad malo govori o tome. Da bi se ta tehnologija prilagodila toj namjeni potrebno je unaprijediti pisač i razviti softver. Trenutačno se pokusi s 4D ispisom hrane uglavnom temelje na izolatu proteina soje, škroba i hidrogelovima. No postoje mogućnosti za poboljšanje veze između unutarnje strukture i stimulacije, dizajna pisača, softvera za ispis, tiskarskih materijala kao i procjene svojstava tiskane hrane. Prednost tehnologije 4D ispisa je i u tome što će njezina primjena pomoći u slučaju nedostatka nekih sirovina za proizvodnju. Zasad je ta tehnologija neiskorištena, ali će u skoroj budućnosti revolucionarno utjecati na tiskanje i proizvodnju predmeta.
Ispisani organi
Iako je sve još uvijek u fazi istraživanja i razvoja, a vrijednost tržišta je zanemariva, proizvođači pisača očekuju veliko zanimanje biotehnoloških tvrtki jer bi najranija uspješna primjena 4D ispisa trebala biti u biomedicini. Primjerice, francuska tvrtka za biotisak Poietis, koja razvija vlastitu platformu za 4D ispis, bila je prva koja je komercijalizirala bioprintersku sintetičku kožu. Poietis je još uvijek daleko od pružanja kožnog tkiva za rekonstruktivnu kirurgiju, ali njegova 3D ispisana koža našla je mjesto u kozmetičkim testiranjima iskorištavajući pokret koji osuđuje i u nekim slučajevima zabranjuje korištenje životinja za testiranje.
Osim toga, ta je tvrtka 2018. potpisala sporazum s farmaceutskom tvrtkom Servier za razvoj 4D bioispisa modela jetre za bolje podnošenje toksičnosti lijekova. No ono što je najvažnije u svemu je to da istraživači moraju pokazati da 4D ispisane organe mogu reproducirati i tiskati u određenoj količini, a potom prevladati medicinske i zakonske prepreke za komercijalizaciju.