I ricercatori dell'Università di Friburgo e dell'Università di Stoccarda hanno sviluppato un nuovo processo per la produzione di mobili, sistemi di materiali autoregolanti con stampanti 3D standard. Questi sistemi possono subire complessi cambiamenti di forma, contraendosi ed espandendosi sotto l'influenza dell'umidità in modo preprogrammato. Gli scienziati hanno modellato il loro sviluppo sulla base dei meccanismi di movimento della pianta rampicante conosciuta come la patata dell'aria (Dioscorea bulbifera).

Con il loro nuovo metodo, il team ha prodotto il suo primo prototipo:un tutore per avambraccio che si adatta a chi lo indossa e che può essere ulteriormente sviluppato per applicazioni mediche. Questo processo è stato sviluppato in collaborazione da Tiffany Cheng e dal Prof. Dr. Achim Menges dell'Institute of Computational Design and Construction (ICD) e dell'Integrative Computational Design and Construction for Architecture Cluster of Excellence (IntCDC) presso l'Università di Stoccarda, insieme al Prof. Dr. Thomas Speck del Plant Biomechanics Group e del Living, Cluster di eccellenza dei sistemi di materiali adattivi e autonomi dal punto di vista energetico (livMatS) presso l'Università di Friburgo. I ricercatori stanno presentando i loro risultati sulla rivista Scienze avanzate .

La stampa 4D definisce i cambiamenti di forma

La stampa 3D si è affermata come processo di produzione per un'ampia gamma di applicazioni. Può anche essere utilizzato per produrre materiali intelligenti e sistemi di materiali che rimangono in movimento dopo la stampa, mutando forma autonomamente da stimoli esterni come luce, temperatura o umidità. Questa cosiddetta stampa 4D, in cui i cambiamenti di forma predeterminati possono essere innescati da uno stimolo, amplia enormemente le potenziali applicazioni dei sistemi materiali. Questi cambiamenti di forma sono resi possibili dalla composizione chimica dei materiali, che sono costituiti da polimeri che rispondono agli stimoli. Però, le stampanti e i materiali di base utilizzati per produrre tali sistemi di materiali sono generalmente altamente specializzati, su misura e costoso, fino ad ora.

Ora, utilizzando stampanti 3D standard, è possibile produrre sistemi di materiali che reagiscono alle variazioni di umidità. Data la loro struttura, questi sistemi di materiali possono subire variazioni di forma nell'intero sistema o semplicemente nelle singole parti. I ricercatori delle università di Friburgo e Stoccarda hanno combinato più strati di rigonfiamento e stabilizzazione per realizzare un complesso meccanismo di movimento:una struttura a spirale che si stringe dispiegando "tasche" come pressori e che può allentarsi da sola quando le "tasche" si rilasciano e la struttura a spirale ritorna allo stato aperto.

Meccanismi di movimento naturali trasferiti a sistemi di materiali tecnici

Per questo nuovo processo, gli scienziati hanno utilizzato un meccanismo naturale:la patata aerea si arrampica sugli alberi esercitando una pressione sul tronco della pianta ospite. Per fare questo, la pianta prima si avvolge liberamente attorno a un tronco d'albero. Poi germogliano 'stipule', escrescenze basali delle foglie, che aumentano lo spazio tra il fusto tortuoso e la pianta ospite. Questo crea tensione nel gambo tortuoso della patata d'aria. Per imitare questi meccanismi, i ricercatori hanno costruito un sistema di materiale modulare strutturando i suoi strati in modo che possa piegarsi in direzioni diverse e in gradi diversi, avvolgendosi in tal modo e formando una struttura ad elica. Le "tasche" sulla superficie fanno sì che l'elica venga spinta verso l'esterno e messa in tensione, provocando la contrazione dell'intero sistema materiale.

"Finora, il nostro processo è ancora limitato ai materiali di base esistenti che rispondono all'umidità, " dice Achim Menges. "Speriamo, "Thomas Speck aggiunge, "che in futuro, materiali economici che rispondono anche ad altri stimoli saranno disponibili per la stampa 3D e potranno essere utilizzati con il nostro processo".

Ricercatori dell'Università di Friburgo Vivere, I cluster di eccellenza dei sistemi di materiali adattivi e autonomi dal punto di vista energetico (livMatS) stanno sviluppando sistemi di materiali realistici ispirati alla natura. Come le strutture viventi si adattano autonomamente a diversi fattori ambientali, generano energia pulita dal loro ambiente e sono impermeabili ai danni o possono guarire se stessi. Tuttavia questi sistemi di materiali saranno oggetti puramente tecnici, in modo che possano essere prodotti utilizzando metodi sintetici e distribuiti in condizioni estreme.