Подобно тому, как 3D-принтеры создают трехмерные объемные предметы, 4D-принтеры позволяют создать предметы, у которых присутствует еще один динамический компонент, своего рода дополнительное “измерение”. Этот компонент позволяет предметам изменять свою форму или структуру под воздействием воды, высокой температуры, света или других факторов. Используя такие принтеры, способные печатать различными материалами, можно произвести предметы с весьма необычными свойствами. К примеру, купив в ближайшем мебельном магазине набор плоских листов-заготовок, можно окатить их дома водой из шланга и радоваться, наблюдая, как после этого начинают медленно разворачиваться предметы мебели. И эти технологии являются одним из направлений исследований, проводимых в стенах Массачусетского технологического института.
Для того, чтобы понять принципы работы программируемой материи, достаточно представить себе то, что происходит с тонкой полоской дерева, если ее намочить водой с одной стороны. Она, эта полоска, начинает деформироваться из-за того, что древесина имеет далеко неоднородную структуру. Из-за хаотичной структуры дерева происходящие деформации непредсказуемы и они определяются многими факторами, такими, как величина “зерен” структуры древесины, тип волокон древесины, положение мест, где вода проникает внутрь древесины и т.п.
Тем не менее, всегда остается возможность достаточно точно предсказать деформацию материала и придать ему необходимую форму, смачивая материал в строго определенных местах. К сожалению, подобные трюки практически невозможно реализовать с древесиной естественного происхождения, однако, при помощи технологий 3D-печати можно получить искусственную древесину, имеющую любую заданную структуру из чередующихся слоев разной толщины и областей с определенной зернистостью, которая в результате “управляемой” деформации может принять строго заданную форму.
Но не на одной древесине “свет сошелся клином”. В Лаборатории технологий самосборки (Self-Assembly Lab) Массачусетского технологического института, возглавляемой Скайлер Тиббитс (Skylar Tibbits), разработан целый ряд различных программируемых материалов, включая ткань, бандана из которой превращается в ковбойскую шляпу, стоит ей только намокнуть под дождем, и более экзотические материалы, такие, как гибкое углеродистое волокно.
“Работая совместно с Carbitex, компанией, занимающейся разработкой и производством всяких экзотических материалов, мы разработали систему CX6, позволяющую изготовить программируемое углеродное волокно, которое может свернуться, закрутиться и деформироваться любым другим образом в ответ на различные виды энергии активации” – пишут представители MIT Self-Assembly Lab, – “Внедряя в структуру волоконного материала включения из других материалов, мы можем получить строго рассчитанную деформацию материала в ответ на высокую температуру, свет или влагу. А такое программируемое углеродное волокно является отличным сырьем для производства множества изделий, кроме этого, при помощи программируемых материалов можно создавать адаптивные аэродинамические формы кузовов автомобилей и фюзеляжей самолетов, которые смогут подстраиваться под изменяющиеся условия окружающей среды. Такие технологии ранее были просто невозможны или для их реализации требовалось использование сложнейших электронно-механических систем”.
Огромное преимущество программируемых материалов заключается в том, что для того, чтобы изготовить вещи, которые сами реагируют на изменения окружающей среды, не требуется использования сложных и дорогих электронных устройств, массивной и сложной механики. Этими возможностями интересуются представители аэрокосмической отрасли, в частности, компания Airbus, совместно с Массачусетским технологическим институтом, уже начала работы по созданию регулятора воздухозаборника для реактивного двигателя из программируемого материала. Кроме этого, уже ведутся переговоры с одной из европейских мебельных фирм, которая собирается воплотить в реальности технологии самособирающейся мебели.