4D-Druck: Gedruckte Orchidee blüht unter Wasser auf

3D-gedruckte Objekte, die ihre Form unter Umweltbedingungen ändern: Harvard-Forscher haben eine neue Methode für den 4D-Druck entwickelt. Inspiriert wurden sie dabei von der Pflanzenwelt.

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4D-Druck: Formel berechnet Transformation
4D-Druck: Formel berechnet Transformation (Bild: Wyss Institute/Harvard University)

Eine Orchidee verändert im Wasser ihre Form und blüht auf - nur ist die Blume 3D-gedruckt. Sie besteht aus einem Hydrogel, das mit Naturfasern versetzt ist. Das Material ermöglicht es, dass sich das 3D-gedruckte Objekt unter Umwelteinflüssen verändert. 4D-Druck heißt diese Technik - mit der Zeit als vierter Dimension.

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Inspiriert ist die Arbeit der Harvard-Wissenschaftler um Jennifer Lewis von der Natur: Pflanzen reagieren auf Umweltreize. Sie wenden sich beispielsweise der Sonne zu, manche, wie Bohnen oder Wein, halten sich an etwas fest und ranken sich daran hoch. Die Funktionen dieser Pflanzenorgane wie Ranken, Blätter und Blüten bilden die Wissenschaftler nach.

Fasern verformen sich

Dazu haben sie eine spezielle Tinte gemischt, die aus einem Hydrogel besteht, das Zellulosefibrillen enthält. Diese Fasern bilden ähnliche Mikrostrukturen, wie jene, die in Pflanzen Formänderungen ermöglichen: Die Zellulose besteht aus Holz. Die Forscher machen sich dessen Faserstruktur zunutze: Ebenso wie sich Holz besser entlang der Faserrichtung spalten lässt als rechtwinklig dazu, verformt sich es sich auch entlang der Faser anders als quer, wenn das Objekt mit Wasser in Kontakt kommt.

  • Die Bilderserien zeigt, wie sich das 4D-geduckte Objekt im Wasser verändert. (Bild: Wyss Institute/Harvard University)
Die Bilderserien zeigt, wie sich das 4D-geduckte Objekt im Wasser verändert. (Bild: Wyss Institute/Harvard University)

Um festzulegen, welche Form es annimmt, haben die Wissenschaftler eine mathematische Formel entwickelt, mit der sich die Transformation vorausberechnen lässt und wie der 3D-Drucker die Schichten aus der Biotinte ausbringen muss.

Eigenschaften lassen sich einstellen

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Das Druckverfahren mit der Verbundtinte ermögliche es, formverändernde Geometrien mit einer Komplexität zu erschaffen, die sich mit keiner anderen Technik erzielen ließen, sagt Sydney Gladman, einer der Autoren der Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Materials erschienen ist. "Außerdem können wir die Materialien variieren, um Eigenschaften wie Leitfähigkeit oder Biokompatibilität zu erreichen."

Solche 3D-gedruckten Objekte, die auf Umweltreize wie Feuchtigkeit, Licht oder Temperatur regierten, könnten in vielen Bereichen eingesetzt werden, sagen die Forscher: in der Medizin etwa, um Arzneimittel an einem ganz bestimmten Punkt im Körper freizusetzen, beim sogenannten Tissue Engineering, in der Robotik oder für intelligente Kleidungsstücke.

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