东方时讯网马德里卡洛斯三世大学(UC3M)的研究人员已经为4D打印机开发了软件和硬件，并将其应用于生物医学领域。除了3D打印，这台机器还可以控制额外的功能：对材料的响应进行编程，以便在外部磁场下发生形状变化，或者在机械变形下发展其电性能的变化。这为设计软机器人或智能传感器和将信号传输到不同蜂窝系统的基板以及其他应用打开了大门。
该研究方向专注于软多功能结构的开发，该结构由具有模仿大脑或皮肤等生物组织的机械性能的材料组成。此外，它们能够在通过外部刺激(例如磁场或电流)驱动时改变其形状或特性。
到目前为止，这支研究团队在这些结构的设计和制造方面取得了多项进展，但在形状设计和智能响应编程方面非常有限。他们在AdvancedMaterialsTechnologies杂志上发表的最新研究中介绍的工作使他们能够通过开发一种新颖的4D打印方法开辟新的可能性。
“这项技术不仅让我们能够控制打印三维结构的方式，还能让它们能够根据外部磁场的作用改变它们的属性或几何形状，或者在它们会变形，”其中一位研究人员DanielGarcíaGonzález解释说，他是ERC4D-BIOMAP(GA947723)项目的负责人，也是卡三连续介质力学和结构理论系的副教授。
这种类型的打印很复杂，因为在打印过程中要挤出的材料会从液体转变为固体。因此，有必要了解材料动力学以适应制造过程，并获得一种材料，该材料在流经打印机喷嘴时充分呈液态，但同时又足够坚固以保持特定形状。
为此，他们开发了一种跨学科的方法，结合了理论和实验技术，使他们能够从头开始构建打印设备，包括设备的物理部分(硬件)和允许控制它的计算机程序(软件)).
根据CompositesPartB:Engineering杂志最近发表的另一篇文章，研究人员还开发了一种新的材料概念，能够在不需要外部作用的情况下自行修复。“这种材料由嵌入了具有剩余磁场的磁性颗粒的软聚合物基体组成。出于实用目的，就好像我们在材料中分布了小磁铁，因此，如果它破裂，当所得部件再次聚集在一起时，他们将在身体上参与恢复其结构完整性，”DanielGarcíaGonzález说。
由于取得了多项注册专利的这些进步，这些科学家已经能够打印出三种类型的功能材料：一些会根据外部磁场改变其形状和特性;其他具有自愈能力的人;以及其他电气特性(电导率)根据其形状或变形而变化的材料。利用第一种材料，他们开发了智能基质，可以将力和信号传递给细胞系统，从而影响细胞增殖或迁移等生物过程。这些材料还可用于设计性能可由磁场控制的软体机器人。
具有自愈能力且导电性能随变形而变化的材料的组合为传感器的开发开辟了巨大的可能性。“我们可以想到连接到我们身体上的传感器，通过电导率的变化收集有关我们运动的信息。此外，该材料的自我修复能力允许设计具有二进制信号的传感器。例如，如果我们有一个膝盖受伤并且需要将旋转限制在最大值，我们可以在我们的关节上加入一小块这种材料，”DanielGarciaGonzález说。
“这样，当我们超过这个最大旋转时，材料会断裂，显示出其电气特性的突然变化，从而提供警告信号。然而，当膝盖恢复到放松状态时，材料的愈合能力将导致恢复电信号。这样我们就可以监控我们的动作，并在手术后或康复期间警告危险情况。”