University of Texas Materials Science and Engineering Department’tan (Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü) araştırmacıları iki boyutlu hidrojellerin genleşip kasılmalarını sağlayacak şekilde programlanmaları ile üç boyutlu karmaşık şekillerde bulunablen ve karmaşık hareket edebilen yapılar üretilebilecek bir yol keşfetti. 

Doğa, araştırmacılara, doğal yumuşak dokuların işlevlerini çoğaltabilen şekil değiştiren materyaller geliştirmeleri için ilham vermiştir. Canlı organizmalar karmaşık, 3D hareketler ve fonksiyonlar elde etmek için yumuşak dokuları genişletir ve küçültür, ancak bu hareketleri insan yapımı materyallerle çoğaltmanın zor olduğu kanıtlanmıştır. Ancak Arlington'daki Texas Üniversitesi araştırmacıları, son zamanlarda Nature Communications'da çözüm bulma konusunda umut veren, çığır açan araştırma yayınladı. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümünde yardımcı doçent olan Kyungsuk Yum ve doktora öğrencisi Amirali Nojoomi, iki boyutlu hidrojellerin genleşip kasılmalarını sağlayacak şekilde programlanmaları ile üç boyutlu karmaşık şekillerde bulunablen ve karmaşık hareket edebilen yapılar üretilebilecek bir yol keşfetti.

Teknolojiye yönelik potansiyel uygulamalar arasında, biyoinspired yumuşak robotlar, yapay kaslar (kasları yaptığımız gibi harici sinyallere tepki olarak hareket eden yumuşak malzemeler ) ve programlanabilir madde bulunmaktadır. Konsept diğer programlanabilir materyallere de uygulanabilir. Yum, “Biyolojik organizmaların şekil vermek, şekil değiştirmek ve hareket etmek için sürekli olarak deforme olabilen yumuşak dokuları nasıl kullandıklarını inceledik, çünkü dinamik 3D yapıları oluşturmak için bu tarz bir yöntemi kullanmakla ilgilendik” diyor. Araştırmacılar dinamik üç boyutlu yapıların da benzer şekilde farklı şekiller üretebilmelerini, şekil değiştirebilmelerini ve karmaşık hareket yeteneği sahibi olmalarını sağlayabilmeyi hedefliyor.

Araştırmacılar çalışmalarında sıcaklığa tepki veren hidrojelleri kullandılar. Hem zamanı hemde 3 boyutu değişken olarak kullanan dijital ışık 4D baskı yöntemini kullanan araştırmacılar bu hidrojelleri uzamsal olarak programlayarak sıcaklık değişimleri ile genleşip küçülmelerini sağlayan bir yaklaşım geliştirdi. Araştırmacılar bu yöntemi kullanarak tek adımlı bir işlemde birden fazla 3 boyutlu yapıyı aynı anda basabildiler. Matematiksel olarak yapıların büzülme şekilleri, kırışıklıklar ve koniler gibi 3 boyutlu şekiller oluşturmak için küçülüp şişmesini programlamaktan geçiyor.

Ayrıca çalışmada programlanmış sıralı hareketleri olan biyo-yapılar da dahil olmak üzere daha karmaşık yapılar oluşturmak için modülerlik kavramına dayanan tasarım kuralları geliştirildi. Bu, şekilleri dinamik hale getirir, böylece boşlukta hareket edebilirler. Ayrıca, yapıların değiştiği hızı kontrol edebilir ve böylece bir vatozun okyanusta nasıl yüzdüğü gibi karmaşık, sıralı hareketler yaratabilir.

Yum’un 12 Eylül’de Nature dergisinde yayımlanan makalesinde; “Geleneksel ilave üretimden farklı olarak, dijital ışıklı 4D baskı yöntemimiz, aynı anda birden fazla, özel tasarımlı 3D yapıları yazdırmamıza izin veriyor. En önemlisi, bizim yöntemimiz çok hızlı, baskı yapmak için 60 saniyeden daha az zaman alıyor ve bu yüzden yüksek oranda ölçeklenebilir ” diyor. Bold Solutions | Global Impact, Stathis Meletis, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü başkanı ise, “Dr Yum'un programlanabilir 3D yapılar oluşturma yaklaşımı, biyo-robot ve doku mühendisliğinde birçok yeni yol açma potansiyeline sahiptir ”dedi.

Kaynak: https://www.uta.edu/news/releases/2018/09/Yum-paper-programmable-materials.php