محققان دانشگاه کارلوس مادرید (UC3M) نرم‌افزار و سخت‌افزاری را برای چاپگر 4 بعدی با کاربردهایی در مورد زیست‌پزشکی بوجود آورده‌اند. افزون بر چاپ سه بعدی، این دستگاه فرصت کنترل عملکردهای اضافی را نیز فراهم می کند: برنامه ریزی ماده به گونه ای که تغییر حالت تحت میدان مغناطیسی خارجی رخ دهد، یا تحولات در خواص الکتریکی آن تحت تغییر وضعیت مکانیکی ایجاد شود. این موضوع دری را به روی دیزاین ربات‌های نرم یا حسگرها و بسترهای هوشمند که سیگنال‌ها را به فناوریهای سلولی مختلف منتقل می‌کنند، از جمله کاربردهای دیگر باز می‌کند.

این خط تحقیقاتی بر بهبود ساختارهای چند منظوره نرم متمرکز است که نظیر موادی با خواص مکانیکی است که بافت‌های بیولوژیکی همانند مغز یا پوست را شبیه سازی می‌کند. افزون بر این، موقعی که به کمک محرک های خارجی همانند میدان های مغناطیسی یا جریان های الکتریکی فعال می شوند، قادر هستند وضعیت یا خواص خود را عوض کنند.

این گروه از تحقیق کنندگان فعلا چندین آزمایش در طراحی و عمل کرد این سازه ها داشته اند، اما از دیدگاه وضعیت، طراحی و برنامه ریزی جواب های هوشمند بسیار محدود بودند. کار ارائه شده در آخرین بازبینی آنها که در مجله Advanced Materials Technologies انتشار یافته است، به آنها اجازه می دهد تا با بهبود روش چاپ 4 بعدی جدید، فرصت های تازه ای را بوجود آورند.

این تکنولوژی به ما این فرصت را می‌دهد که نه تنها نحوه چاپ ساختارهای سه‌بعدی را کنترل کنیم، بلکه به آن‌ها این فرصت را می‌دهیم که خواص یا هندسه خود را در جواب به عمل میدان‌های مغناطیسی خارجی عوض کنند، یا قادر به تغییر خواص الکتریکی خود را در هنگامی که آنها تغییر حالت می دهند." یکی از محققین، دانیل گارسیا گونزالس، مسئول پروژه ERC 4D- BIOMAP و دانشیار دپارتمان مکانیک پیاپی و تئوری ساختار UC3M بیان می‌کند.

این نمونه چاپ پیچیده است به این دلیل که ماده ای که قرار است اکسترود شود در طول فرآیند چاپ از مایع به جامد تبدیل می شود. از این رو درک دینامیک مواد برای انطباق با فرآیند تولید و به دست آوردن ماده ای ضروری است که در هنگام عبور از نازل چاپگر به اندازه نیاز مایع باشد اما در عین حال به اندازه نیاز جامد برای حفظ حالت خاصی باشد.

برای این منظور، آنها یک روش بین رشته‌ای بهبود داده‌اند که تکنیک‌های نظری و تجربی را تلفیق می‌کند و به آنها این امکان را می دهد دستگاه چاپ را از آغاز بسازند، هم جزء فیزیکی دستگاه و هم برنامه‌های رایانه‌ای که فرصت کنترل آن را آماده می‌کند.

یک ماده خود تعمیر شونده

بر اساس انتشار دیگری که به تازگی در مجله Composites Part B: Engineering انتشار یافته است، تحقیق کنندگان همچنین یک مفهوم ماده جدید را کشف کرده اند که قادر هست به طور مستقل و بدون استفاده از اقدامات خارجی خود را درمان کند. این ماده نظیر یک ماتریس پلیمری نرم است که با ذرات مغناطیسی با میدان پسماند تعبیه شده است.

برای هدف های عملی، گویی آهنرباهای کوچکی در مواد توزیع شده است، که اگر آسیب ببینند، قطعات مجدد به هم نزدیک می شوند. دانیل گارسیا گونزالس می گوید، آنها از دیدگاه فیزیکی به بازیابی یکپارچگی ساختاری خود خواهند پیوست.

به لطف این پیشرفت‌ها، که منجر به ثبت چندین اختراع شده است، این محققان توانسته‌اند سه نمونه ماده کاربردی را چاپ کنند: بعضی که حالت و خواص خود را در جواب به میدان‌های مغناطیسی خارجی تغییر می‌دهند. دیگری با قابلیت خوددرمانی؛ و سایرین که خواص الکتریکی (رسانایی) آنها بر اساس وضعیت یا تغییر حالت آنها متفاوت است. با نخستین مدل از مواد، آنها بسترهای هوشمندی را برای انتقال نیروها و سیگنال ها به سیستم های سلولی بوجود آورده اند تا بتوانند فرآیندهای بیولوژیکی همانند تکثیر سلولی یا مهاجرت را تحت تاثیر قرار دهند. همچنین می توان از این مواد برای دیزاین ربات های نرمی مورد استفاده قرار داد که نتیجه آنها از طریق میدان های مغناطیسی قابل کنترل است.

ترکیبی از مواد با قابلیت خود بازسازی شونده و خواص هدایت الکتریکی آنها با تغییر حالت، امکان زیادی را در بهبود حسگرها بوجود می آورند. ما قادر هستیم به سنسورهایی فکر کنیم که به بدن ما متصل می باشند، اطلاعات متعلق به حرکت ما را از تحولات هدایت الکتریکی جمع‌آوری می‌کنند.

افزون بر این، قابلیت خود ترمیمی این ماده فرصت طراحی سنسورهایی با سیگنال‌های دوتایی را آماده می‌کند. به عنوان مثال، دانیل گارسیا گونزالس می‌گوید:برای صدمه زانو و نیاز به محدود کردن چرخش به حداکثر زاویه، توانایی آن را داریم نوار کوچکی از این ماده را روی مفصل خود قرار دهیم.

هنگامی که از حداکثر میزان چرخش تجاوز کنیم، ماده آسیب دیده می‌شود و تغییر ناگهانی در خواص الکتریکی آن مشاهده می شود و در نتیجه یک سیگنال اخطار ارائه می‌شود. فعلا، هنگامی که زانو به وضعیت استراحت برمی‌گردد، قابلیت التیام مواد منجر به بهبودی می‌شود.

از این طریق توانایی آن را داریم حرکات خود را زیر نظر داشته باشیم و درباره شرایط خطرناک پس از جراحی یا در طول دوره‌های توانبخشی به بیمار اخطار دهیم."