ENG: Researchers at Universidad Carlos III de Madrid have created software and hardware for a 4D printer with applications in the biomedical field. In addition to 3D printing, this machine allows for controlling extra functions: programming the material’s response so that shape-changing occurs under external magnetic field, or changes in its electric properties develops under mechanical deformation. This opens the door to the design of soft robots or smart sensors and substrates that transmit signals to different cellular systems, among other applications.

This line of research focuses on the development of soft multifunctional structures, which consist of materials with mechanical properties that mimic biological tissues such as the brain or skin. In addition, they are capable of changing their shape or properties when actuated via external stimuli, such as magnetic fields or electric currents. Until now, this team of researchers had made several advances in the design and manufacturing of these structures, but they were very limited in terms of shape-design and programming of intelligent responses. The work presented in their latest study, has allowed them to open up new possibilities by developing a novel 4D printing methodology.

This type of printing is complex since the material to be extruded transitions from liquid to solid during the printing process. It is therefore necessary to understand the material dynamics to adapt the manufacturing process and obtain a material which is sufficiently liquid when it flows through the printer nozzle but, at the same time, solid enough to maintain a specific shape. To this end, they have developed an interdisciplinary methodology that combines theoretical and experimental techniques allowing them to build the printing device from scratch, both the physical part of the device (the hardware) and the computer programmes that allow it to be controlled (the software). The researchers have also developed a new material concept that is capable of healing itself autonomously without the need for external action.

RO: Cercetătorii de la Universitatea Carlos III din Madrid au creat software și hardware pentru o imprimantă 4D cu aplicații în domeniul biomedical. Pe lângă imprimarea 3D, această mașină permite controlul unor funcții suplimentare: programarea răspunsului materialului astfel încât schimbarea formei să aibă loc sub acțiunea unui câmp magnetic extern sau modificarea proprietăților sale electrice să se dezvolte sub efectul unei deformări mecanice. Acest lucru deschide ușa pentru proiectarea de roboți moi sau de senzori și substraturi inteligente care transmit semnale către diferite sisteme celulare.

Această linie de cercetare se concentrează pe dezvoltarea de structuri moi multifuncționale, care constau în materiale cu proprietăți mecanice care imită țesuturile biologice, cum ar fi creierul sau pielea. În plus, acestea sunt capabile să își schimbe forma sau proprietățile atunci când sunt acționate prin stimuli externi, cum ar fi câmpurile magnetice sau curenții electrici. Până în prezent, această echipă de cercetători a realizat mai multe progrese în proiectarea și fabricarea acestor structuri, însă acestea erau foarte limitate în ceea ce privește proiectarea formei și programarea răspunsurilor inteligente. Lucrările prezentate în cel mai recent studiu al lor, le-au permis să deschidă noi posibilități prin dezvoltarea unei noi metodologii de imprimare 4D.

Acest tip de imprimare este complex, deoarece materialul care urmează să fie extrudat trece de la lichid la solid în timpul procesului de imprimare. Prin urmare, este necesară înțelegerea dinamici materialului pentru a adapta procesul de fabricație și a obține un material care să fie suficient de lichid atunci când curge prin duza imprimantei, dar, în același timp, suficient de solid pentru a menține o formă specifică. În acest scop, ei au dezvoltat o metodologie interdisciplinară care combină tehnici teoretice și experimentale, permițându-le să construiască dispozitivul de imprimare de la zero, atât partea fizică a dispozitivului (hardware), cât și programele informatice care permit controlul acestuia (software). Cercetătorii au dezvoltat, de asemenea, un nou concept de material care este capabil să se vindece singur în mod autonom, fără a fi nevoie de o acțiune externă.

Source (Universidad Carlos III de Madrid, “A 4D printer for smart materials with magneto-and electro-mechanical properties has been developed”, 06.03.2023)

Papers:

Lopez‐Donaire, M.L., de Aranda‐Izuzquiza, G., Garzon‐Hernandez, S., Crespo‐Miguel, J., Fernandez‐de la Torre, M., Velasco, D. and Garcia‐Gonzalez, D., 2022. Computationally Guided DIW Technology to Enable Robust Printing of Inks with Evolving Rheological Properties. Advanced Materials Technologies, p.2201707.

Garcia-Gonzalez, D., Ter-Yesayants, T., Moreno-Mateos, M.A. and Lopez-Donaire, M.L., 2023. Hard-magnetic phenomena enable autonomous self-healing elastomers. Composites Part B: Engineering, 248, p.110357.