La stampa 4D sarà la prossima rivoluzione tecnologica

La stampa 4D e si basa sulla stampa di nuovi materiali chiamati intelligenti, cioè sottoposti a un cambiamento strutturale controllato da uno stimolo esterno

Con la stampa 3D sono stati fatti progressi nel settore industriale, nella ricerca dai prototipi industriali, nei biomateriali degradabili utilizzati nella medicina rigenerativa. Quello che segue è il 4D: trasformare questi materiali affinché possano muoversi o mutare di fronte a stimoli esterni.

Humberto Palza Cordero,(1) ingegnere dei materiali presso l'Università del Cile,(2) asserisce che la recente capacità di creare o costruire oggetti, strato per strato, e da un modello di calcolo virtuale, noto anche come stampa 3D, ha tutte le potenzialità per rivoluzionare il nostro mondo in aspetti che vanno ben oltre la tecnologia. Questa tecnologia ha prodotto significativi cambiamenti nei modelli di business, nella logistica di produzione e nella catena di approvvigionamento, così che oggi è un pilastro fondamentale in quella che è stata definita la terza rivoluzione industriale. Ciò che accadrà in futuro, in termini geopolitici, economici, sociali, demografici e ambientali, sarà equivalente alle precedenti rivoluzioni riconducibili al motore a vapore o ai processi di industrializzazione del primo Novecento.

Sembra storia, ma solo un decennio fa l'unico modo per generare un prototipo di qualsiasi prodotto era quello di processarlo in macchine o attrezzature industriali tradizionali ad un costo molto alto. Oggi, con una semplice progettazione assistita da computer, è possibile stampare qualsiasi prototipo, accelerando le innovazioni e le iniziative in molteplici ambiti. La stampa 3D è già ampiamente utilizzata dall'industria tradizionale per la produzione di pezzi di ricambio e parti nuove per aerei, treni e automobili. La stampa 3D è l'applicazione più efficacie in sostituzione ai processi di produzione tradizionali.

Tuttavia, il grande impatto della stampa 3D verrà con l'introduzione di nuovi prodotti e tecnologie. Forse uno degli esempi più interessanti in questo contesto è l'uso della stampa 3D nella medicina rigenerativa. Un requisito fondamentale nell'uso delle cellule staminali per trattamenti avanzati di rigenerazione dei tessuti è la costruzione di un'impalcatura tridimensionale che fornisce supporto alle cellule. Questo si basa sul fatto che le nostre cellule si trovano naturalmente nei tessuti che formano strutture 3D.

Attualmente – continua Humberto Palza Cordero - si sta sviluppando biomateriali degradabili che, una volta stampati, possono essere infiltrati con le cellule per migliorare le loro prestazioni e la capacità rigenerativa, mentre con le “biotinte” si possono stampare le medesime celle. Questi progressi permetteranno in futuro di stampare organi potenzialmente in grado di risolvere il problema della carenza di impianti. Altri esempi sono la creazione dei cosiddetti “soft-robot” o “robot modulari”, attraverso parti o pezzi generati dalla stampa 3D.

Come i metodi di produzione tradizionali, la stampa 3D si è concentrata sulla generazione di prodotti “statici” o “inerti”, a differenza di quanto accade con gli organismi viventi che rispondono agli stimoli esterni reagendo per muoversi o cambiare. Oggi vogliamo evolvere dalla possibilità di programmare la forma degli oggetti attraverso la stampa 3D alla programmazione del comportamento degli oggetti stampati aggiungendo una quarta dimensione associata ai loro cambiamenti temporali. Questa nuova rivoluzione si chiama stampa 4D e si basa sulla stampa di nuovi materiali chiamati “intelligenti”, cioè sottoposti a un cambiamento strutturale controllato da uno stimolo esterno.

Questi materiali mutano con la temperatura, l'umidità o la luce, alterandone la forma o le proprietà nel tempo. Ad esempio, i tessuti intelligenti possono essere progettati per reagire alla nostra sensazione termica: se sentiamo il calore possono rilasciare questa energia e se sentiamo freddo possono mantenere il calore corporeo, semplicemente cambiando la loro porosità in base alla nostra temperatura o umidità. Pertanto, la stampa 4D è un nuovo paradigma tecnologico per generare prodotti stampati intelligenti con applicazioni nei settori tessile, membrane, medicina, robotica e produzione di energia.

Attualmente nella medicina rigenerativa le cellule stampate possono essere dirette o differenziate grazie a stimoli esterni che migliorano i processi di trattamento tradizionali, oppure il materiale che li supporta può rilasciare agenti biochimici controllati. I micro-robots possono essere prodotti con la stampa remota non invasiva, oppure è possibile produrre un imballaggio intelligente che si auto-assembla per proteggere i prodotti di valore. In una società in cui il lavoro multidisciplinare è sempre più apprezzato, la stampa 4D soddisfa questa caratteristica unendo varie discipline scientifiche per raggiungere il suo scopo.

In Cile siamo avanzati in queste materie e, per esempio, nella Facoltà di Scienze Fisiche e Matematiche dell'Università del Cile abbiamo un laboratorio di produzione digitale (FabLab) orientato alla generazione di prodotti basati sulla scienza e sull'ingegneria, che accompagna anche “Startup hardware” nel passaggio dalla produzione di prototipi a prodotti finiti. Nel laboratorio operano gruppi di ricerca nei “soft-robot” e nella caratterizzazione avanzata dei materiali. Il centro è inoltre dotato di una stampante 3D unica nella sua classe per creare i nuovi biomateriali sviluppati (ci sono solo due stampanti di questo tipo in America Latina).

È lodevole constatare che il Ministero dell'Economia, dello Sviluppo e del Turismo del Cile abbia recentemente finanziato il progetto di ricerca 'Núcleo Milenio' che ha lo scopo di gestire questo problema. Gli accademici dell'Università del Cile, della Pontificia Università Cattolica e dell'Università di Aysén si sono uniti per sviluppare materiali intelligenti per la stampa 3D, essendo un gruppo pionieristico a livello nazionale, regionale e globale.

Data la necessità per i ricercatori di estendere sempre i limiti della conoscenza e della tecnologia, oggi sorge la domanda: possiamo andare oltre la stampa 4D? La risposta è sì, grazie ad un altro nuovo paradigma scientifico e tecnologico: la stampa di Metamateriali. Questi materiali presentano proprietà non riscontrabili in natura o inusuali, grazie al design geometrico e architettonico con cui sono stati costruiti. La stampa 4D di Metamateriali sarà la prossima rivoluzione in questo campo e in Cile ci si sta già preparando per questa sfida, conclude Humberto Palza Cordero.

Riferimenti:

(1) Humberto Palza Cordero

(2) Universidad de Chile

Humberto Palza ha conseguito un dottorato in ingegneria dei materiali presso l'Università del Cile. Accademico e ricercatore del Dipartimento di Ingegneria Chimica, Biotecnologie e Materiali, della Facoltà di Scienze Fisiche e Matematiche (FCFM) dell'Università del Cile e direttore del Millennium Nucleus in materiali morbidi e intelligenti meccanici / Autore: Edoardo Capuano / Foto: WEB

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