Inspirando-se na natureza, os cientistas criam uma catapulta de dois componentes que supera as limitações da impressão 4D.
A impressão 3D, que permite a fácil criação de objetos 3D, experimentou recentemente um crescimento e popularidade explosivos, com inúmeras aplicações em muitos ramos da ciência e tecnologia, da medicina à eletrônica.
Este método de produção, também conhecido como manufatura aditiva, reduz o tempo necessário para fazer uma peça e permite a fabricação de diferentes formas que não são possíveis com os métodos de fabricação tradicionais. No entanto, as peças impressas em 3D geralmente são estáticas, enquanto muitas situações exigem que elas mudem suas propriedades ao longo do tempo, como forma ou elasticidade, em resposta a ambientes variados.
impressão 4D
Para resolver esse problema e permitir a introdução da manufatura aditiva em indústrias complexas, como automotiva, aeroespacial e robótica leve, os pesquisadores propuseram uma solução conhecida como impressão 4D. Essa abordagem inovadora envolve a programação de materiais para responder a diferentes estímulos externos, como campos elétricos, calor e luz, conferindo-lhes propriedades dinâmicas.
Embora o conceito de impressão 4D seja promissor, ele ainda tem certas limitações relacionadas principalmente à resposta lenta dos materiais usados nas peças impressas em 3D, o que impede sua capacidade de responder rapidamente a uma mudança no ambiente.
“Atualmente, as tecnologias de impressão 4D sofrem com a incapacidade de produzir movimentos rápidos, o que limita suas aplicações que exigem transformação rápida de formas, como desbloqueio rápido e implantação de equipamentos aeroespaciais”, explicou Qingping Liu, professor da Universidade de Jilin, em um e-mail.
Para superar essas restrições, Liu e seus colaboradores da China, Reino Unido e Estados Unidos tiveram uma ideia inovadora. Em vez de se concentrar apenas em aprimorar os materiais usados nas peças impressas para acelerar suas transformações de forma, eles propuseram substituí-los por objetos compostos por dois componentes impressos. O primeiro é projetado para facilitar a velocidade necessária da peça, enquanto o segundo inicia e sustenta o movimento.
Em seu estudo publicado em Materiais funcionais avançados, os cientistas dizem ter se inspirado na dispersão de sementes de uma espécie de violeta chamada Viola verecunda. Quando os frutos dessa flor amadurecem, a superfície interna da vagem que contém as sementes perde água, resultando em estresse mecânico na camada interna da vagem.
A tensão varia em diferentes regiões da vagem, o que cria uma força que ejeta as sementes do fruto. Quando lançadas para fora da vagem, as sementes atingem uma velocidade de várias dezenas de metros por segundo e uma aceleração cerca de 30.000 vezes maior que a gravidade.
Uma catapulta biomimética
Para replicar esse mecanismo, a equipe imprimiu em 3D um objeto semelhante a uma catapulta que consiste em duas partes feitas de uma resina chamada policarbonato e um plástico conhecido como poliuretano, cada uma das quais reage de maneira diferente ao calor. Sob temperaturas crescentes, as duas partes se contraem em taxas diferentes e, como a vagem violeta, a tensão é gerada dentro do dispositivo, aumentando a força que eventualmente lança um projétil impresso em 3D, empurrando um projétil especial impresso em 3D.
Os pesquisadores não conseguiram atingir a velocidade das sementes de violeta disparadas de suas vagens, mas, mesmo assim, a velocidade do projétil foi muito alta de acordo com os padrões da impressão 4D, atingindo vários metros por segundo.
“Assim como uma Viola verecunda dispersa suas sementes uma a uma, a catapulta biomimética foi desenvolvida por meio da tecnologia de impressão 4D multimateriais”, disse Liu, resumindo os resultados do estudo. “Esta catapulta pode alcançar a ejeção de alta velocidade com os estímulos de temperatura, luz ou eletricidade. A estratégia de impressão 4D biomimética proposta superou as limitações de velocidade de movimento, o que ajuda a liberar totalmente o potencial da impressão 4D”.
Uma das aplicações mais interessantes desta catapulta impressa em 4D é lançar vários satélites simultaneamente. Para testar se isso funcionaria, a equipe imprimiu pequenos modelos dos satélites e os colocou em réplicas da catapulta. Os satélites foram lançados com sucesso em intervalos de alguns segundos sem interferir uns nos outros (ver diagrama), confirmando o sucesso deste teste preliminar.
No entanto, a equipe observa que sua pesquisa está engatinhando e mais investigações são necessárias antes de testes ou comercialização em larga escala. Os cientistas estão explorando a possibilidade de usar outros materiais populares na impressão 3D, como polímeros e metais, em seu dispositivo.
Eles esperam que isso libere todo o potencial da tecnologia que desenvolveram, expandindo significativamente o escopo de sua aplicação.
Referência: Guiwei Li et al., Catapulta de impressão 4D biomimética: do protótipo biológico à implementação práticaMateriais funcionais avançados (2023), DOI: 10.1002/adfm.202301286
