하버드대학의 ‘SEAS'(엔지니어링 및 응용과학)와 ‘Wyss'(생물공학기관)의 과학자 팀은 3D프린팅 기술을 마이크로 스케일로 확장하여 4D프린팅이 가능한 기술을 발표했습니다. 시간, 환경, 자극에 따라 물체의 형상이 변화하는 복합구조를 3D프린팅 할 수 있습니다. (예를 들면 부드러운 형태의 물체가 물에 닿으면 딱딱한 형태가 되기도 합니다.)

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4D프린팅은 한단계 발전된 프로그래밍으로 다양한 재료를 혼합할 수 있어 여러 분야에 걸쳐 종합적으로 접근이 가능한 기술로 형태와 기능을 통합하여 변형이 가능한 구조를 제작할 수 있습니다.

자연생태계에서 꽃과 식물들은 세포조직의 구성으로 환경에 따라 변화하는 동적인 미세구조를 가지고 있습니다. 식물이 습도와 온도 환경의 자극에 반응하고 형태의 다양성이 있음을 참조하여 3D프린팅 가능한 복합 하이드로 겔(물을 용매로 하는 겔)을 개발했습니다. 이 복합 하이드로 겔에는 식물의 형상을 변화시키는 미세구조와 유사한 구조를 가진 셀룰로오스 섬유가 포함되어있습니다.

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4D프린팅을 진행 시 셀룰로오스 섬유를 정렬시킴에 따라 복합 하이드로 겔은 이방성(시험의 방향에 따라 다른 성질을 갖는 재료의 특성)팽창과 강도가 암호화되어 특성을 예측하고 제어할 수 있는 복잡한 형상의 변화가 가능해집니다. 프린팅의 경로에 따라 동작, 직교, 팽창의 차이가 생기기 때문에 예측한 형상대로 형태를 변화시키기 위해 4D프린팅을 위한 응용 프로그램을 활용하여 고유의 수학적 모델과 결합합니다.

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그 결과로 스마트 섬유, 부드러운 전자회로, 생물의학 장치와 조직공학이 가능해질 수 있습니다. 무엇보다도 전도성을 가진 재료 또는 생체에 적합한 속성의 재료를 사용할 수 있다는 점이 큰 성과라고 합니다. 또한 약간의 프린팅 경로 수정으로 쉽게 더 복잡한 형상 변환이 가능합니다.

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목표로 하는 형상을 위한 역 설계 문제도 해결했기 때문에 필라멘트 사이의 간격과 이방성을 이용하여 변화시키는 방법의 결정도 가능합니다. 자연생태계의 일부를 공학적 구조물로 설계하고 구현할 수 있는 4D프린팅 기술이 우리에게 가져다 줄 미래는 어떤 모습일까요?


출처 : https://www.seas.harvard.edu/news/2016/01/novel-4d-printing-method-blossoms-from-botanical-inspiration
번역 : @xyzcm03

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