Table of Contents
ما هو الطبع 4D وكيف يمتد للطباعة 3D؟
ويرتكز الطباعة من نوع 4D مباشرة على أساس الطباعة من ثلاثية الأبعاد بإضافة بُعد رابع: الزمن، وفي الطباعة التقليدية من ثلاثية الأبعاد، يُصنع الجسم حسب الطبقات ويظل ثابتا بعد التصنيع. بيد أن الطباعة من نوع 4 دال تستخدم مواد ذكية - تسمى أيضا المواد المستجيبة للكلمات أو القابلة للبرمجة - التي يمكن أن تغير شكلها أو خصائصها أو تشغيلها بعد طبعها عند التعرض للعوامل البيئية المحددة مثل التحولات الحرارية والرطوبة.
وقد تم نشر هذا المفهوم لأول مرة في شركة سكايلر تيبس في عام 2013، ومنذ ذلك الحين، ازداد هذا المجال بسرعة، ولا سيما في المجالات التي تتطلب التقليل من سرعة التكيف والقدرة على التكيف، ويتمثل الميسر الرئيسي في الجمع بين الدقة في التصنيع المضافة وبين علوم المواد، مما يتيح للمهندسين تصميم هياكل ذاتية، أو منعزلة، أو توسيع نطاق، أو حتى إصلاح أنفسهم بصورة مستقلة.
ويعتمد النسيج الميكروي التقليدي على الليثيوغرافيا في غرفة التنظيف، أو الليثيوم اللينة، أو التجميع اليدوي للأجزاء، وهذه الأساليب مكلفة ومستهلكة للوقت، وغالبا ما تحد من التعقيد الجغرافي. ويمكن للطباعة من نوع 4D أن تنتج أجهزة تبدأ كصحائف مسطحة أو شكلية بسيطة، ثم تجمع ذاتيا في شبكات القنوات المعقدة، أو الصمامات، أو المزلاجات.
الآليات الأساسية خلف الطباعة 4D
التشهير المبرمج باستخدام المواد المستجيبة
وتشمل أكثر الآليات شيوعاً تعدد الذاكرات والهيدروغلات التي تحدث تغيرات قابلة للعكس أو لا رجعة فيها، ويمكن تشويه الأعضاء التناسلية للأنثى ثم تثبيتها بشكل مؤقت، وعندما تُطلق بالحرارة (التي تتجاوز درجة الحرارة الانتقالية في كثير من الأحيان)، فإنها تعود إلى شكل دائم مبرمج مسبقاً، وبالنسبة للمركبات المصغرة، فإن ذلك يسمح بفتح صفحة مطبوعة مسطحة لتطوي في شبكة من ثلاثية الأبعاد عند وضعها في الماء الدافئ.
وتستجيب الهيدروغلات للرطوبة أو الهدروغ. وتزداد طبقة هيدرجيل التي تطبع على جانب من الأفلام الرقيقة عندما تبللت، مما يسبب الرعي أو التعالج، ومن خلال وضع طبقات نشطة وسارية استراتيجيا، يمكن للمهندسين تصميم الطوابع المتحركة، والدفات، والمجمعات المشابهة للأعشاب، كما أن المواد الحساسة من الفلور (الفلور السائلة) تتيح الاختلال عن بعد دون اتصال، والمثل الأعلى للبيئة.
ذاتيا: من 2D Sheets إلى 3D Microchannels
ويتوقف التألق الذاتي في الفلورية ذاتية المطبوعات من نوع 4D عادة على التوسع أو الانكماش المتفاوت بين المادتين، حيث توجد طبقة ذاتية ذاتية ذاتية ذاتية ذاتية (مثلاً، هيدروغل) ترتبط بطبقة سلبية (مثلاً، تعددية متعددة العينات) - عندما تستجيب الطبقات النشطة إلى المحفزات، ومن خلال طباعة مواد نشطة، يخلق المصممون خطوطاً مختلطة تنتج قنواتا أو أنبوبا.
ويستخدم نهج آخر التوتر من المواد التقلصية، ويمكن طبع أجهزة إدارة المشاريع في حالة مجهدة؛ وعند التدفئة، تتعاقد وتسحب الجهاز إلى شكله النهائي، وهذه الطريقة مفيدة بصفة خاصة لإنشاء قنوات معقدة مفرعة يتعذر معها التلاعب بها مباشرة.
خدمات الصحة الذاتية: إصلاح ذاتي في منطقة مايكروس
وتشتمل أجهزة المايكرويك ذاتيا على مواد يمكن أن تستعيد السلامة الهيكلية بعد التفكك أو التقلب، وتستخدم استراتيجيتان أوليتان هما: معالجة البترولية (عن طريق شبكات الميكروبات أو المناظير المدمجة) والبوليفينات الاصطناعية (عن طريق السندات الكيميائية القابلة للتداول) وفي النظم القائمة على الكبسولات الدقيقة، تحتوي الكبسولات المجهرية على عامل للتغذية (مثل، الختم).
ويعتمد العلاج الذاتي في مجال البوليمر على السندات المتزامنة الدينامية أو التفاعلات فوق الأورامية في إطار مصفوفة البوليمر، مثلا، يمكن أن تكسر أو تصلح الروابط بين الديلز - ألدر تحت الحرارة المتوسطة، مما يتيح معالجة المواد بصورة متكررة، وفي الفلوريد، يمكن لإحدى قنوات التلقين الذاتي أن تسترد من الألبسة أو الإجهاد الميكانيكي، مما يؤدي إلى الحفاظ على تدفق حراري دون تدخل مستمر.
المواد المستخدمة في الطباعة 4D للمركبات الفلورية الدقيقة
شب التذكارية
وتشمل نظم إدارة المواد الكيميائية المشتركة نظماً قائمة على البولييوريتان وبوليسترات مترابطة، وهي توفر قوة ميكانيكية ممتازة وقابلية للتطابق الأحيائي، مما يجعلها مناسبة للأجهزة الطبية ذات الفلورية، وكثيراً ما يتطلب الطباعة مع أجهزة إدارة الأعمال الصغيرة تصميمات أو راتنجات يمكن برمجتها عن طريق معالجة حرارية أو مركبات فوق سطحية، ويجري تطوير أجهزة إمداد ذات اتجاهين يمكنها التحول بين شكلين دون إعادة برمجة لتطبيقات ضخ دينامية.
الهدروغلات المستجيبة
وتتقلص الهيدروجيلات مثل البولي (N-isopropylacrylamide) عندما تسخن أعلى من 32 درجة مئوية، بينما ترتفع درجة الحرارة الأخرى في منخفض H. وهي مثالية لضمان الذات لأنها يمكن أن تطبع كطبقات رقيقة تخضع لتغيرات كبيرة في الحجم، كما أن محتوى المياه المرتفع يجعلها مناسبة للأجهزة المجهرية التي تستخدمها الخلية (استخدام قنوات عالية الضغط).
Liquid Crystal Elastomers (LCEs)
وتتغير هذه المركبات بشكل عكسي عندما تتعرض للضوء (غالباً ما تكون فوق سطحي) أو درجة الحرارة، وهي واعدة بشكل خاص بالتحول اللاسلكي ويمكن تصميمها بحيث تستجيب لمواد موجية محددة، وفي الفلوريدز، يمكن للمركبات العضوية المكلورة أن تعمل كمواجيز تفتح عندما تكون غير مسموعة، مما يتيح السيطرة على الاتصال.
بوليمرات الصحة الذاتية
ويجري الآن استخدام التركيبات البوليمرية التي تحتوي على الكبائن المجهرية أو السندات الدينامية على النحو الأمثل لطباعة القاحلة والبوليتوغرافية، مثلا، يمكن طبع نظم الفول - المايليميد ديلز - ألدر ثم شفاؤها عند درجة 120 درجة مئوية. وتشمل التطورات الأخيرة التي حدثت في غرفة معينة أجهزة التلقيح الذاتي القائمة على أساس الترميز الهيدروجيني، والتي تصلح في غضون دقائق بعد التلف.
Manufacturing Techniques for 4D Microfluidic Devices
برمجيات البوليثوغرافية (SLA) وتجهيز الضوء الرقمي
إن جيش تحرير السودان وحزب تحرير شعب الهرم الجنوبي مثاليان للطباعة 4D لأنهما يقدمان حلا عاليا (عشرات الميكرونات) ويمكنهما طباعة المراكب المعقدة التي تحتوي على شكل الذاكرة أو مكونات الهيدروجيل متاحة الآن، وببرمجة تسلسل المعالجة أو إدراج مختلف الراتنجات في الطابعات المتعددة المواد، يمكن للمهندسين أن يخلقوا هياكل ذات مستويات إجهاد محددة مسبقا تدفع على الإطلاق من لوحة البناء.
النموذج الاستبدادي
وتستخدم إدارة الشؤون المالية على نطاق واسع في الألياف الخاصة بأجهزة إدارة المشاريع الصغيرة ويمكن أن تنشئ هياكل غير متجانسة أو متعددة الأغراض بتكلفة منخفضة، والحد الرئيسي هو القرار الأدنى (100-200 ميكروم)، ولكن بالنسبة لأجهزة أو أجزاء أكبر من الفلوريكتين تجمع نفسها في القنوات، تظل إدارة الشؤون المالية عملية، ويتيح المهاجمون المزدوجون مادة واحدة للعمل كدعم تضحية، وجزء آخر كعنصر نشط.
طبعة Inkjet وخط الإنكليزي المباشر
ويستخدم الكتابة المباشرة لمسح الألياف المستمرة من الأفران الفاسدة، مما يتيح إنشاء الألياف التي يمكن أن تتغير، وتستخدم هذه الأساليب لطباعة المحركات ذات الرشاقة وأجهزة التصفيف الذاتي للرقائق الميكروفونية.
4D Printing of Nanocomposites
فإضافة الجسيمات النانوية (مثل الجاين، والنانووب الكربونية، والجسيمات النانوية المغناطيسية) إلى مواد الطباعة يمكن أن تؤدي إلى زيادة الاستجابة، فعلى سبيل المثال، تتيح الجزيئات المغنطية المغنطة المغناطيسية إطلاقها عن بعد عن طريق حقل مغناطيسي متناوب، كما أن الندوب تؤدي إلى تحسين القوة الميكانيكية والسلوك الكهربائي، وإتاحة إمكانيات للمستشعرات المتكاملة في الأجهزة الفلورية.
الأجهزة المصغرة ذاتياً
شبكات التدفق المُستلهمة
وبطباعة صحيفة مسطحة مع تذبذبات متحركة ومرنة (هيدروغل) يخلق الباحثون نظماً ذات مقياس للجيكروفلوريك تطوي في مكعبات أو هرامات، وتطبع القنوات على الوجوه، وعندما تغرق المرفأ في الماء، تُرفع العنق الهزلية، وتربط القنوات بشبكة ثلاثية الأبعاد، وهذا النهج يقلل بشدة من خطوات التجميع اليدوي ويتيح إنتاجاً واحداً من الرقائق.
أجهزة التكرير ذاتيا
وتستخدم تقنية أخرى فيلماً ذا بَيْلاير يُدْرجُ إلى أنبوب عندما يُطلق من طبقة فرعية، وقد تحتوي الطبعة الداخلية على هودرجيل يُسَمِّر، مما يُسبّب الفلم إلى التكرير، ويمكن أن يكون الأنبوب الناتج ميكانيكياً صغيراً يبلغ قطره 50 ميكروميتر، ويمكن طباعة هذه الأنابيب على وفرة واحدة لتدفق موازٍ.
Microvalves and Micropumps
وباستخدام تأثير الذاكرة الشكلية، يمكن برمجة مصفوفة مطبوعة لتنحني إلى الأعلى عندما تسخن، تعمل كصمام مغلق عادة، وبإدخال مسخن مقاومة، يمكن فتح الصمام عند الطلب، وبالمثل، يمكن أن تضخ السوائل المتغيرة في الشكل في سداسي، وهذه المكونات الدينامية تزيل الحاجة إلى ضوابط خارجية ذاتية.
أجهزة معالجة الأمراض الميكروفلورية ذاتية
معالجة المايكروكاك في جدران القناة
وجهاز التكرير المتناثري هو نمط إخفاق شائع في رقائق الفلوريك، خاصة تلك المستخدمة في التصوير الكيميائي العالي الضغط، ويمكن لبوليمرات التلقيح الذاتي أن تغلق هذه الشقوق بشكل مستقل، ومن أمثلة ذلك، تم اختبار قناة قائمة على نظام إدارة المبيدات تحتوي على كبائن مجهرية لعامل معالجة بالسيليكون، وبعد التفكك، تم تداولها وعالجها، واستعادة سلامة ضغط القناة في غضون ساعات.
إعادة تشغيل الجهاز الكهربائي للاستشعار المتكامل
وبالنسبة للأجهزة الفلورية المصغرة ذات الكهرباء المتكاملة (مثلاً للكشف)، يمكن للبوليمرات السلوكية ذاتية التعافي أن تصلح الدوائر المكسورة، ويمكن للمواد المركبة ذات النانووير الفضية الموزعة في مصفوفة متعددة الألياف الدينامية أن تتواصل بعد الخدش، مع الحفاظ على وظيفة أجهزة الاستشعار.
إلغاء المدونة القابلة للتداول
ويمكن حل الشعارات الناتجة عن تراكم الجسيمات بتدفئة القناة التي تتجاوز درجة الحرارة الانتقالية لجهاز إدارة السفن، مما يتسبب في توسيع الجدران وإبطال مفعول الانسداد، وعندما يزول الزناد، تعود القناة إلى شكلها الأصلي، وهي طريقة سلبية خالية من المواد الكيميائية لكشف الميكانيكيات الدقيقة.
الطلبات في لاب - أو - شيب والأعضاء - حسب نوع الجنس
نقطة التشخيص
ويمكن شحن رقائق ذاتية المضغوطة ذاتياً من نوع 4D وتطوي في الموقع لاستخدامها في تشخيص أمراض مثل الملاريا أو الـ COVID-19، وتكفل خصائص التعافي الذاتي بقاء الرقائق صالحة حتى لو تم إسقاطها أو تم تضليلها أثناء النقل.
نماذج للأعضاء على الشاشة
:: أجهزة المضغ على الأجهزة المحمولة على الأعضاء البشرية تعمل على تقليد البيئة المجهرية للأعضاء البشرية. ويتيح الطباعة من 4D إنشاء غرف ثقافية دينامية يمكنها أن تتقلص وتسترخي، وتحفز عضلة القلب أو تمزق أحشاءها، ويمكن لمواد التلقيح الذاتي أن تصلح الضرر الناجم عن التحفيز الآلي المستمر، الذي يمدد فترة الثقافة.
نظم تسليم المخدرات
ويمكن زرع أجهزة مجهرية صغيرة الحجم ذات الصبغة 4D، وتحفزها درجة حرارة الجسم أو درجة حرارة الجسم، لتفريغ المخدرات في أنماط الجراء، كما يمكن أن تساعد الذاتية في صنع ناقلات صغيرة قابلة للحرق وتكشف مرة داخل الجسم.
الرصد البيئي
أجهزة الاستشعار عن بعد التي يمكن أن تستفيد من عينة الماء أو الهواء من الفلوريديكات التي تُعالج ذاتياً لمنع التسرب في ظروف قاسية، كما أن قنوات التأقلم الذاتي تتيح إنشاء أجهزة مدمجة قابلة للانتشار تتوسع عندما تغرق.
التحديات والحدود الحالية
المقارنات المادية والطباعة
ويصعب تجهيز العديد من المواد الذكية بصناعة مضافة عالية الاستبانة، وكثيرا ما تحتاج الهيدروغلات إلى هياكل دعم ويمكن أن تتقلص بشدة عند التجفيف، وقد يكون راتنجات النبضات منخفضة القوة، ولا يزال تحقيق التوازن بين القدرة على الطباعة والاستجابة والقدرة على الميكانيكية موضع تركيز بحثي.
Scalability and Cost
ولا تزال معظم تقنيات الطباعة من 4D على نطاق المختبرات، إذ إن إنتاج مئات الرقائق في الساعة يتطلب إحراز تقدم في سرعة وموثوقية الطباعة المتعددة المواد، ويمكن أن تكون تكلفة البوليمرات المتخصصة والجسيمات النانوية باهظة بالنسبة لنشرها على نطاق واسع.
المسؤولية عن السداد
ويعتمد التأقلم الذاتي والتعافي الذاتي على ظروف ثابتة للزناد (التأثير، الصحة). وفي البيئات غير الخاضعة للمراقبة، يمكن أن تؤدي المحفزات غير المقصودة إلى تغييرات في الشكل السابق لأوانه، كما أن تصميم المواد الانتقائية أو المتعددة الأطقم هو مجال نشط.
التكافؤ البيولوجي والاستقرار الطويل الأجل
وبالنسبة للطلبات الطبية، يجب أن تكون المواد غير سمية ومستقرة على مدى أسابيع، حيث أن العديد من الكيمياء التي تُعالج ذاتياً تشمل عوامل حفازة أو منتجات ثانوية قد تكون سمية، كما أن الدهن الطويل الأجل للسندات الدينامية يحتاج أيضاً إلى تقييم.
الآفاق المستقبلية
يمكن للطباعة بواسطة أجهزة الـ 4D أن تُصبح أفضل من المطبعة للتشكيلات المرغوبة وأجهزة التعالج، والطابعات المتعددة المواد القادرة على إيداع عشرات المواد ستمكن الأجهزة المعقدة من أجهزة الاستشعار والمحاضرات، والجمع بين 4D والطباعة بالفلورية الميكرويّة من المحتمل أن يؤدي إلى "مختبرات الذكاء" حيث تُعيد تركيب الرقائق على أساس النتائج التجريبية.
وثمة حدود أخرى تتمثل في استخدام الطباعة من 4D لخلق أجهزة ميكرويليكية يمكن إعادة تدويرها أو تدهورها على القيادة، ويمكن أن تسمح المواد التي تخضع لبوليمر قابل للتداول باسترجاع الرقائق وإعادة تجهيزها، وهذا يتمشى مع أهداف الاستدامة في المواد الاستهلاكية للمختبرات.
وأخيراً، فإن استحداث أدوات قياسية للطباعة 4D سيقلل من الحاجز أمام الباحثين الجدد، ومنابر مثل COMSOL Multiphysics] يمكن أن تشكل تغييرات نموذجية، ولكن المزجات المتخصصة في التصنيع المضاف لا تزال آخذة في الظهور، ومع نضج هذه الأدوات، سنرى سرعة التكاثر والتبني على نطاق أوسع.
خاتمة
ويعاد تصميم 4D الميكرويدات عن طريق وسائل تمكينية تجمع ذاتيا من الدول المسطحة وتعالج نفسها بنفسها بعد التلف، وتخفض هذه القدرات تعقيدات التصنيع، وتزيد من القوة، وتفتح تطبيقات جديدة في التشخيص، والأخذ بالأجهزة على أشرطة الأجهزة، والاستشعار عن بعد، وفي حين أن التحديات في المواد، والقابلية للتقسيم، والموثوقية، فإن وتيرة الابتكار تشير إلى أن الأجهزة المجهرية ذات الطباعة ستتحول إلى أدوات عملية في غضون العقد المقبل ينبغي أن تضيف إلى مواد هندسة.