Imagine um mundo onde os objectos não só tomam forma como evoluem ao longo do tempo. Esta é a promessa da impressão 4D - um salto revolucionário em relação à impressão 3D tradicional, incorporando o tempo como uma dimensão transformadora. Neste artigo, explore como esta tecnologia de ponta utiliza materiais inteligentes para criar estruturas adaptáveis e de auto-montagem. Desde stents médicos a tecidos espaciais, a impressão 4D está destinada a mudar o panorama do fabrico e não só. Descubra os últimos avanços e o potencial futuro desta fascinante inovação.
Em fevereiro de 2011, a Professora Skylar Tibbits, Directora do Laboratório de Auto-montagem do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, introduziu o conceito de modelação através da auto-montagem de materiais durante uma palestra TED (Tecnologia, Entretenimento, Design) - uma organização sem fins lucrativos sediada nos EUA.
Em 2013, o Professor Tibbits regressou ao palco do TED, apresentando pela primeira vez ao mundo o conceito de impressão 4D. A sua palestra atraiu a atenção de várias indústrias, reconhecendo-o como o inventor da impressão 4D.
Desde então, a impressão 4D captou o interesse global, avançando rapidamente na tecnologia e expandindo-se para aplicações mais amplas. O Professor Tibbits e o seu Self-Assembly Lab, em colaboração com a Stratasys, continuaram a investigação e desenvolveram numerosos modelos físicos de impressão 4D, como mostram as Figuras 8-1 a 8-4.
Atualmente, a tecnologia de impressão 4D está ainda em fase de exploração e não atingiu ainda aplicações de produção em grande escala.
No entanto, possui um enorme potencial para revolucionar a tecnologia de fabrico, atraindo a atenção de vários países em todo o mundo, especialmente dos Estados Unidos e da China, com sucessivas realizações de investigação.
Em 2011, o MIT iniciou a investigação sobre a tecnologia de impressão 4D; em 2014, a empresa americana Nervous System apresentou o primeiro vestido oco impresso em 4D; em 2017, a NASA utilizou a impressão 4D para criar tecidos metálicos dobráveis, preparando-os para serem utilizados no fabrico de várias naves espaciais; em 2016, uma equipa de especialistas do Hospital Xijing da Quarta Universidade Médica Militar da China, em conjunto com um laboratório nacional local, tornou-se a primeira a aplicar stents traqueais impressos em 4D no tratamento de crianças com doenças cardíacas congénitas complexas acompanhadas de estenose traqueal bilateral grave.
Em resumo, a impressão 4D está preparada para mudar paradigmas, expandir o pensamento e inspirar antecipação e entusiasmo para o futuro.
Desde que o Professor Skylar Tibbits introduziu pela primeira vez o conceito de impressão 4D em 2013, a definição tem sido interpretada por um número crescente de académicos, conduzindo a uma variedade de descrições e a algum debate, sem se chegar a um consenso. Vale a pena notar que, à medida que a tecnologia de impressão 4D continua a evoluir, o seu conteúdo concetual está também a tornar-se mais enriquecido.
Em primeiro lugar, este livro fornece uma explicação abrangente da impressão 4D, tal como descrita pelo Professor Skylar Tibbits, que é a seguinte:A impressão 4D é um novo processo que demonstra uma mudança radical no fabrico de aditivos. Implica impressões multimateriais com a capacidade de se transformarem ao longo do tempo, ou um sistema de material personalizado que pode mudar de uma forma para outra, diretamente a partir da mesa de impressão.
Esta técnica oferece um caminho simplificado desde a ideia até à realidade, com funcionalidades orientadas para o desempenho incorporadas diretamente nos materiais.
A quarta dimensão é aqui descrita como a transformação ao longo do tempo, sublinhando que as estruturas impressas já não são simplesmente objectos estáticos e mortos; são antes programavelmente activas e podem transformar-se independentemente. A impressão 4D é um primeiro vislumbre do mundo dos materiais evolutivos que podem responder às necessidades dos utilizadores ou às alterações ambientais.
No centro desta tecnologia estão três capacidades fundamentais: a máquina, o material e o "programa" geométrico.
O Professor Skylar Tibbits expõe a impressão 4D como um processo fundamentalmente distinto da impressão 3D (fabrico aditivo). A impressão 4D requer um sistema evolutivo multimaterial ou de materiais personalizados que, depois de ser produzido por impressão 3D, pode continuar a evoluir ao longo do tempo ou transformar-se de uma forma para outra.
Ao incorporar características orientadas para o desempenho diretamente no sistema de materiais, a impressão 4D oferece um atalho do conceito à realidade. A quarta dimensão da impressão 4D, que pode ser descrita como evolução ao longo do tempo, sublinha que as estruturas criadas pela impressão 3D já não são estáticas, mas podem ser programadas para uma transformação autónoma.
Existem três tecnologias-chave na impressão 4D: o hardware, os materiais e a "programação" geométrica.
Para compreender plenamente o conceito de impressão 4D, tal como explicado pelo Professor Skylar Tibbits, é necessário compreender as seguintes nuances:
A chamada quarta dimensão refere-se à evolução do sistema de material evolutivo ao longo do tempo, o que, segundo o Professor Tibbits, equivale à auto-montagem - o que significa que o sistema de material pode mudar para a forma desejada num determinado período de tempo com base em modelos definidos por software.
A distinção fundamental da impressão 3D reside principalmente numa mudança transformadora na abordagem de fabrico. A impressão 3D requer um modelo tridimensional pré-desenhado e utiliza os materiais correspondentes para lhe dar forma, enquanto a impressão 4D incorpora o modelo tridimensional diretamente no sistema de materiais, simplificando o processo desde o "design" até ao "objeto físico".
As três tecnologias-chave referidas são as seguintes: No que diz respeito ao equipamento, as impressoras 3D convencionais podem normalmente ser utilizadas diretamente ou com pequenas modificações; quanto aos materiais, são normalmente compósitos multifásicos ou materiais evolutivos, também conhecidos como materiais inteligentes ou materiais que respondem a estímulos.
Trata-se de materiais que podem alterar autonomamente as suas propriedades físicas ou químicas (incluindo a forma, a densidade, a cor, a elasticidade, a condutividade, as características ópticas, as propriedades electromagnéticas, etc.) sob estímulos pré-determinados (como a imersão em água ou a exposição ao calor, à pressão, à eletricidade, à luz, etc.).
Atualmente, a atenção centra-se sobretudo em cadeias filamentosas simples e materiais finos semelhantes a folhas, sendo o próximo objetivo de investigação a criação de estruturas tridimensionais mais complexas.
Atualmente, a impressão 4D é particularmente adequada para imprimir cadeias filamentosas simples. Quanto à "programação geométrica", refere-se à relação de resposta entre os estímulos materiais e as propriedades físicas acima mencionadas, sendo o principal mecanismo de resposta a geração de deformações características localizadas (ou deformações de incompatibilidade) no interior do objeto impresso durante ou após o processo de impressão.
Para o Professor Skylar Tibbits e o seu Laboratório de Auto-montagem, o equipamento e os materiais utilizados para a impressão 4D são fornecidos pela Stratasys, enquanto a "programação" geométrica é fornecida pela equipa de investigação e desenvolvimento da Autodesk. Eles também conceberam um novo software chamado Cyborg. A Figura 8-5 ilustra de forma mais intuitiva a explicação do Professor Skylar Tibbits sobre a impressão 4D.
Em 2014, o Professor Li Dicheng da Universidade de Xi'an Jiaotong apresentou um conceito conciso de impressão 4D: A impressão 4D refere-se ao fabrico aditivo de materiais inteligentes, o que significa que as estruturas feitas a partir da tecnologia de impressão 3D podem mudar a sua forma e estrutura ao longo do tempo quando estimuladas por factores ambientais externos. A dimensão adicional que a tecnologia de impressão 4D acrescenta à impressão 3D é o tempo.
Assim, o conceito inicial de impressão 4D pode ser entendido simplesmente como "impressão 3D + tempo", centrando-se na mudança de forma dos componentes ao longo do tempo com materiais inteligentes. Acredita-se que, à medida que a investigação sobre a impressão 4D continua a aprofundar-se, o seu conceito e essência serão ainda mais elevados.
Um dos principais componentes da impressão 4D são os materiais inteligentes. No final dos anos 80, inspirados por certas capacidades encontradas na natureza, cientistas americanos e japoneses introduziram pela primeira vez o conceito de inteligência no domínio dos materiais e estruturas, propondo a ideia inovadora de estruturas de materiais inteligentes.
Também conhecidos como estruturas inteligentes ou reactivas, estes sistemas integram elementos de deteção, actuadores e circuitos associados de processamento e controlo de sinais na estrutura do material. São concebidos para responder a estímulos e controlos mecânicos, térmicos, ópticos, químicos, eléctricos e magnéticos.
Estes materiais não só são capazes de suportar cargas, como também possuem a capacidade de reconhecer, analisar, processar e controlar, oferecendo características multifuncionais como o autodiagnóstico, a auto-adaptação, a auto-aprendizagem e a auto-reparação.
As estruturas materiais inteligentes representam uma fronteira interdisciplinar, abrangendo uma vasta gama de domínios como a mecânica, a ciência dos materiais, a física, a biologia, a eletrónica, a ciência do controlo, a informática e a tecnologia. Um número significativo de peritos destas disciplinas em todo o mundo está ativamente empenhado em fazer avançar estes domínios.
Existem numerosas classificações para os materiais inteligentes, que podem ser amplamente categorizados com base na sua função e composição em materiais com memória de forma, polímeros electroactivos, materiais piezoeléctricos, fluidos electrorreológicos e materiais magnetostrictivos, sendo os materiais com memória de forma os mais utilizados.
Os materiais com memória de forma incluem polímeros com memória de forma (SMPs), ligas com memória de forma (SMAs), hidrogéis com memória de forma (SMHs), cerâmicas com memória de forma (SMCs) e compósitos com memória de forma (SMCs).
Os polímeros com memória de forma (PMS), também conhecidos como polímeros com memória de forma, são materiais poliméricos que podem mudar e fixar a sua forma inicial em determinadas condições, recuperando depois a sua forma original quando estimulados por condições externas como o calor, a eletricidade, a luz ou a indução química.
A tecnologia SMP utiliza a teoria moderna da física dos polímeros, juntamente com técnicas de síntese e modificação de polímeros, para conceber e ajustar molecularmente a estrutura molecular de materiais poliméricos comuns, como o polietileno, o poliisopreno, o poliéster, o copoliéster, a poliamida, a copoliamida e o poliuretano.
Estes materiais são dotados de uma forma específica em determinadas condições (o estado inicial), que pode mudar e ser fixada (o estado deformado) quando as condições externas variam. Se o ambiente externo se alterar novamente de uma forma específica, podem regressar reversivelmente ao estado inicial, completando o ciclo de memorização do estado inicial, fixação do estado deformado e regresso ao estado inicial.
As SMPs são categorizadas com base no tipo de estímulos a que respondem, incluindo SMPs induzidas termicamente, SMPs induzidas eletricamente, SMPs induzidas pela luz e SMPs induzidas quimicamente.
As SMPs induzidas termicamente deformam-se acima da temperatura ambiente e podem fixar a deformação durante o armazenamento por períodos prolongados. Quando aquecidos a uma temperatura de resposta específica, os componentes recuperam rapidamente a sua forma inicial.
Estes polímeros são amplamente utilizados em vários domínios, como os cuidados de saúde, o desporto, a construção, a embalagem, o sector automóvel e as experiências científicas, incluindo dispositivos médicos, espumas plásticas, almofadas de assento, suportes ópticos de armazenamento de informações e alarmes.
A função de memória de forma das SMPs induzidas termicamente tem origem principalmente em duas fases incompatíveis dentro do material: a fase fixa, que mantém a forma do produto moldado, e a fase reversível, que sofre amolecimento e endurecimento com as mudanças de temperatura. A fase fixa é responsável pela memorização e recuperação da forma original, enquanto a fase reversível permite que o produto mude de forma.
Com base nas características estruturais da fase fixa, os PMS induzidos termicamente podem ser divididos em categorias termoendurecíveis e termoplásticas. Além disso, existe um polímero com memória de forma denominado "moldagem por deformação a frio", que envolve o processamento a frio de determinadas resinas termoplásticas abaixo da temperatura T para obter uma elevada deformação elástica e, em seguida, o arrefecimento para obter um estado deformado.
Quando reaquecido acima da temperatura TgO material também pode voltar à sua forma original.
Os PMS eletricamente induzidos são compostos de materiais poliméricos com memória de forma induzida termicamente com substâncias condutoras, tais como negro de fumo condutor, pó metálico e polímeros condutores. O seu mecanismo de memória é idêntico ao dos polímeros com memória de forma induzida termicamente. O material compósito utiliza o calor gerado por uma corrente eléctrica para aumentar a temperatura do sistema e induzir a recuperação da forma.
Por conseguinte, possui propriedades condutoras e uma excelente funcionalidade de memória de forma, utilizada principalmente em eletrónica, comunicações e instrumentação, como tubos catódicos electrónicos e materiais de proteção electromagnética.
Os SMPs foto-responsivos incorporam grupos fotocrómicos específicos (PCGs) nas cadeias principais e laterais do polímero. Após a exposição à luz UV, os PCGs sofrem uma reação de fotoisomerização, causando uma alteração significativa no estado da cadeia molecular.
Macroscopicamente, o material exibe uma transformação de forma induzida pela luz. Quando a exposição à luz cessa, os PCGs reagem reversivelmente, revertendo o estado molecular e o material para a sua forma original. Estes materiais são utilizados em impressão, registo ótico, válvulas moleculares accionadas pela luz e sistemas de libertação controlada de fármacos.
As SMPs induzidas quimicamente são activadas por alterações no meio circundante para permitir a deformação do material e a recuperação da forma. Os estímulos químicos comuns incluem alterações de pH, equilíbrio de troca iónica, reacções de quelação, transições de fase e reacções redox.
Estes materiais incluem poliacrilamida parcialmente saponificada, álcool polivinílico e misturas de ácido poliacrílico em forma de película e são utilizados em domínios especializados, como membranas de separação para proteínas ou enzimas e motores químicos.
As ligas com memória de forma (SMAs) são materiais compostos por dois ou mais elementos metálicos que exibem um efeito de memória de forma (SME) através de transformações de fase martensíticas termoelásticas e o seu inverso.
Os SMAs oferecem o melhor desempenho de memória de forma entre os materiais com memória de forma. Termoelástico martensiteUma vez formada, continua a crescer à medida que a temperatura diminui e diminui com o aquecimento, desaparecendo num processo completamente reversível. A diferença de energia livre actua como a força motriz para a transformação de fase.
Os SMAs são categorizados em três classes com base nas suas características de deformação:
Efeito unidirecional de memória de forma: As SMAs deformam-se a temperaturas mais baixas e recuperam a sua forma original após o aquecimento, exibindo um efeito de memória de forma apenas durante o processo de aquecimento.
Efeito de memória de forma bidirecional: Certas ligas recuperam a sua forma de fase a alta temperatura após o aquecimento e voltam à sua forma de fase a baixa temperatura após o arrefecimento.
Efeito de memória de forma total: Após o aquecimento, o material recupera a sua forma de fase a alta temperatura e, após o arrefecimento, transita para uma forma de fase a baixa temperatura com a mesma geometria mas orientação oposta.
Até à data, foram descobertos mais de 50 tipos de ligas com efeitos de memória de forma. Em 1969, o efeito de memória de forma da liga de níquel-titânio foi aplicado pela primeira vez na indústria, levando à criação de um dispositivo único de acoplamento de tubos.
Ao adicionar outros elementos à liga de níquel-titânio, foram desenvolvidas e investigadas novas ligas com memória de forma à base de níquel-titânio, tais como níquel-titânio-cobre, níquel-titânio-ferro e níquel-titânio-crómio. Além disso, existem outros tipos de ligas com memória de forma, incluindo cobre-níquel, cobre-alumínio, cobre-zinco e ligas à base de ferro (Fe-Mn-Si, Fe-Pd).
Os SMAs são amplamente utilizados em vários domínios, como o aeroespacial, a eletrónica mecânica, a engenharia biomédica, a construção de pontes, a indústria automóvel e a vida quotidiana.
Os hidrogéis são um tipo de gel de rede tridimensional altamente hidrofílico que pode inchar rapidamente em água e reter um volume significativo de água sem se dissolver no seu estado inchado. A absorção de água está intimamente relacionada com o grau de reticulação; quanto maior for a reticulação, menor será a absorção de água. Os hidrogéis podem ser classificados em hidrogéis tradicionais e hidrogéis reactivos ao ambiente com base na sua resposta a estímulos externos.
Os hidrogéis tradicionais não são sensíveis às alterações ambientais, como a temperatura ou o pH; adaptam-se alterando a reticulação das macromoléculas para captar e libertar água (fornecendo estímulos), conseguindo assim a contração e a expansão para facilitar as transições estruturais.
Os hidrogéis reactivos ao ambiente, por outro lado, são capazes de detetar pequenas alterações ou estímulos no ambiente externo (como a temperatura, o pH, a luz, a eletricidade, a pressão, etc.) e responder com alterações significativas das propriedades físicas e químicas, até mesmo transformações abruptas. A caraterística destes hidrogéis é a alteração notável do seu comportamento de dilatação em resposta a factores ambientais.
Com base nos diferentes mecanismos de resposta destes dois tipos de hidrogéis, foram desenvolvidos hidrogéis com memória de forma que podem ser utilizados como sensores, interruptores de controlo, etc.
As SMCs apresentam efeitos de memória de forma que diferem das SMPs e SMAs nos seguintes aspectos: Em primeiro lugar, as SMCs têm uma capacidade de deformação menor; em segundo lugar, as SMCs experimentam vários graus de deformação irreversível em cada ciclo de memória de forma e de recuperação e, à medida que o número de ciclos aumenta, a deformação cumulativa cresce, conduzindo finalmente à formação de fissuras.
As SMCs podem ser classificadas com base no mecanismo de geração do efeito de memória de forma em cerâmicas viscoelásticas com memória de forma, cerâmicas com memória de forma por transformação de fase martensítica, cerâmicas com memória de forma ferroeléctrica e cerâmicas com memória de forma ferromagnética.
As cerâmicas viscoelásticas com memória de forma incluem o óxido de cobalto, o óxido de alumínio, o carboneto de silício, o nitreto de silício e as cerâmicas de vidro de mica. Quando estes materiais são aquecidos a uma determinada temperatura, são deformados sob carga, com a força externa a manter a deformação. Após arrefecimento e subsequente reaquecimento a uma temperatura específica, a deformação da cerâmica recupera o seu estado original.
Os estudos sugerem que as cerâmicas viscoelásticas com memória de forma contêm duas estruturas - cristalina e vítrea - e que a energia elástica que impulsiona a recuperação da forma é armazenada numa destas estruturas, enquanto a deformação ocorre na outra.
Cerâmicas martensíticas com memória de forma, como o ZrO2, BaTiO3, KNbO3, PbTiO3são utilizados principalmente em elementos actuadores de armazenamento de energia e em materiais funcionais especializados.
As cerâmicas com memória de forma ferroeléctrica referem-se a cerâmicas que apresentam características de memória de forma quando a sua orientação muda sob um campo elétrico externo. As regiões de fase das cerâmicas com memória de forma ferroeléctrica incluem substâncias paraeléctricas, ferroeléctricas e antiferroeléctricas, com tipos de transição de fase como as transformações paraeléctrica-ferroeléctrica e antiferroeléctrica-ferroeléctrica.
Estas transições de fase podem ser induzidas por um campo elétrico ou pela comutação ou reorientação de domínios magnéticos polares. Embora as cerâmicas com memória de forma ferroeléctrica tenham deformações mais pequenas em comparação com as ligas com memória de forma, apresentam tempos de resposta rápidos.
Podem também sofrer transições reversíveis, como paramagnético-ferromagnético, paramagnético-antiferromagnético, ou de estados orbitais ordenados para desordenados, normalmente acompanhadas de deformações recuperáveis da rede.
Os objectos fabricados através da impressão 4D são produtos inteligentes com capacidades de adaptação e auto-cura. São amplamente aplicáveis em vários sectores, incluindo tecidos e órgãos artificiais, dispositivos médicos, transporte automóvel, maquinaria de precisão, aeroespacial, indústria de defesa, bem como na moda, mobiliário e construção. Eis sete exemplos de aplicações específicas:
A Nervous System, criada nos Estados Unidos em 2007 por Jessica e Jessie, ambas licenciadas pelo MIT, sendo Jessica licenciada em arquitetura pela mesma instituição que o Professor Skylar Tibbits, começou a utilizar um tecido especial para criar vestidos através da impressão 4D em 2014. O vestido, como mostra a Figura 8-6, consiste numa estrutura de treliça composta por 2.279 triângulos e 3.316 pontos de articulação, como ilustrado na Figura 8-7.
A tensão entre os triângulos e os pontos de articulação ajusta-se à forma do corpo da utilizadora, garantindo que o vestido fica bem mesmo com alterações de peso. Este vestido não só resolve os problemas de ajuste, como também se adapta à forma do corpo da utilizadora. O vestido é criado utilizando a tecnologia de impressão 3D SLS, deixando o pó não sinterizado cair após a impressão, resultando numa estrutura de fibras interligadas.
A Nervous System também desenvolveu uma aplicação que permite aos utilizadores fazer uma digitalização 3D do seu corpo, escolher o tamanho e a forma do tecido e criar um vestido único impresso em 4D. Atualmente, este vestido impresso em 4D é permanentemente coleccionado por quatro museus ou galerias.
Em 2017, uma equipa de investigação liderada por Raul Polit Casillas no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA relatou a criação de um tecido metálico dobrável utilizando a tecnologia de impressão 4D, como mostra a Figura 8-8. O tecido apresenta pequenos quadrados de metal prateado na frente e fios de metal preto na parte de trás, como mostra a Figura 8-9.
Esta estrutura aumenta significativamente a sua capacidade de resistir a impactos externos e é também convenientemente concebida para aplicação nas superfícies de naves espaciais ou fatos espaciais de astronautas. A estrutura pode refletir a luz (lado do quadrado metálico) e absorver o calor (lado do fio metálico), englobando cinco capacidades: resistência ao impacto físico, capacidade de dobragem semelhante à do tecido, resistência à tração semelhante à do aço, refração de luz intensa e gestão térmica passiva.
A gestão térmica passiva permite que a nave espacial mantenha um diferencial mínimo de temperatura com o ambiente externo, alcançando um equilíbrio dinâmico quando este material é utilizado como revestimento.
A NASA prevê que este tecido metálico seja utilizado em vários domínios, incluindo antenas de grandes dimensões dobráveis e que mudam de forma, isolamento térmico para naves espaciais que visitam planetas/luas frios e gelados, bem como tapetes de isolamento flexíveis para astronautas, escudos de meteoritos em miniatura para naves espaciais e fatos espaciais.
Além disso, este material inovador pode ser utilizado em aeronaves em luas/planetas gelados, criando "pés" dobráveis que se adaptam às superfícies planetárias rugosas, ajudando a evitar certos danos físicos e facilitando a recolha de amostras.
Em 28 de março de 2016, cirurgiões torácicos do Hospital Tangdu, afiliado à Quarta Universidade Médica Militar, utilizaram tecnologia de ponta de impressão 4D para aliviar o sofrimento de um doente com traqueomalácia causada por tuberculose endobrônquica traqueal. O segmento traqueal afetado excedia o comprimento máximo permitido para ressecção, tornando impossível a remoção.
A implantação tradicional de uma endoprótese pode levar a complicações como a dificuldade de expetoração. A nível internacional, a Universidade de Michigan relatou um caso semelhante no The New England Journal of Medicine, onde os especialistas conceberam uma suspensão externa de stent para um doente com uma doença do brônquio esquerdo com apenas 1-1,5 cm, enquanto este doente tinha uma lesão de 6 cm na traqueia, o que representava um maior desafio.
Após uma análise cuidadosa das características da doença, o Dr. Li Xiaofei, o diretor-adjunto Huang Lijun e o Dr. Wang Lei do departamento de cirurgia torácica do Hospital Tangdu, em colaboração com o Professor Cao Tiesheng e o médico Yang Guanying do Centro de Investigação de Impressão 3D da Quarta Universidade Médica Militar, criaram um modelo traqueal impresso em 3D.
Após uma avaliação exaustiva, decidiram proceder à cirurgia de suspensão externa do stent. Fizeram também uma parceria com a equipa do Professor He Jiankang da Universidade de Xi'an Jiaotong para fabricar um stent traqueal biodegradável impresso em 4D para o doente, como se mostra na Figura 8-10.
Utilizando o stent traqueal biodegradável impresso em 4D para envolver a traqueia enfraquecida e suturando-o no lugar, a traqueia colapsada foi apoiada e a via aérea estreita foi aberta. Foi efectuada uma comunicação pré-operatória exaustiva com o doente e a família, conforme ilustrado na Figura 8-11.
A cirurgia foi um sucesso e o doente recuperou bem no pós-operatório.
O período de degradação do stent pode ser regulado através do controlo do tipo e do peso molecular do biomaterial, permitindo que este se degrade gradualmente e seja absorvido pelo organismo ao longo dos próximos 2-3 anos, poupando ao doente a dor de uma segunda cirurgia para remover o stent.
Esta cirurgia foi a primeira do seu género a nível internacional, envolvendo a suspensão de um stent externo para um segmento macio extremamente alongado da traqueia. Além disso, em setembro do mesmo ano, os médicos do Hospital Xijing da Quarta Universidade Médica Militar juntaram-se à equipa de He Jiankang da Universidade de Xi'an Jiaotong.
Utilizando uma endoprótese traqueal absorvível semelhante, impressa em 4D, realizaram uma cirurgia de suspensão da endoprótese num bebé de 5 meses que sofria de uma doença cardíaca congénita complexa combinada com estenose brônquica bilateral grave, curando com êxito a doença - outra estreia mundial.
Em 2019, o Professor Liu Liwu do Instituto de Tecnologia de Harbin colaborou com especialistas clínicos do Primeiro Hospital Afiliado da Universidade Médica de Harbin para incorporar partículas magnéticas de Fe3O4 numa matriz de ácido poliláctico com memória de forma. Conceberam e imprimiram em 4D um oclusor SMP biodegradável e personalizável que pode ser implantado de forma remota e controlável sob uma força de campo magnético específica.
Também realizaram experiências de viabilidade in vitro com o oclusor de PMS impresso em 4D para testar a simplicidade do seu processo de implantação, como se mostra nas Figuras 8-12. O oclusor SMP pode ser facilmente embalado, entregue e libertado através de um cateter, com o processo de implantação concluído em 16 segundos.
Na Conferência Internacional de Robótica e Automação do IEEE, em 2013, Samuel M. Felton, do Instituto de Engenharia de Inspiração Biológica da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard, apresentou um sistema robótico de automontagem feito com tecnologia de impressão 4D.
O campo da robótica, que exige um elevado desempenho estrutural, automação e inteligência, vê frequentemente efeitos surpreendentes quando se combinam polímeros com memória de forma, sendo o sistema robótico de auto-montagem particularmente significativo. Este sistema de auto-montagem impresso em 4D funde materiais planos rígidos com SMPs, conseguindo acções sequenciais de dobragem, controlo de ângulos e ranhuras mediante estimulação externa.
As Figuras 8-13(a) mostram um robô tipo verme equipado com um sistema de auto-montagem robótica impresso em 4D, capaz de se dobrar numa forma funcional que se move sob corrente eléctrica adequada; a Figura 8-13(b) mostra o mesmo robô tipo verme a demonstrar a sua auto-propulsão a uma velocidade de 2µm/s. Estes robôs de auto-montagem podem reduzir os custos de material, processamento e transporte e têm perspectivas promissoras para a exploração de áreas confinadas.
Em 2017, o Professor Zhao Xuanhe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts depositou micróbios geneticamente tratáveis num material inerte à humidade utilizando um processo de impressão 3D, criando uma película biohíbrida com uma estrutura multicamada de densidade microbiana irregular. Utilizando os comportamentos higroscópicos e bioluminescentes das células vivas, esta película bio-híbrida pode responder a gradientes de humidade ambiental em segundos.
Altera reversivelmente a forma da estrutura multicamada e a intensidade da bioluminescência, formando abas abertas e ventiladas em ambientes de elevada humidade, como ilustrado na Figura 8-14. Esta película bio-híbrida foi transformada em vestuário desportivo sensível à humidade para melhorar a experiência desportiva, como ilustrado na Figura 8-15.
Uma vez que a deposição desta estrutura multicamadas constitui um fabrico aditivo de materiais inteligentes sensíveis à humidade, este processo de impressão 3D também pode ser designado por impressão 4D.
Em 2020, a equipa do Professor H. Jerry Qi, do Instituto de Tecnologia da Geórgia, demonstrou um método para conceber e fabricar estruturas autotransformantes capazes de grandes deformações e de elevado módulo. Imprimiram as estruturas concebidas utilizando processos DIW multi-materiais com tintas compostas constituídas por uma elevada fração volumétrica de solvente, resinas fotopolimerizáveis, fibras de vidro curtas e sílica gasosa.
Durante a impressão, as fibras de vidro foram alinhadas através de orientação induzida por cisalhamento através do bocal, resultando em propriedades mecânicas altamente anisotrópicas. O solvente foi então evaporado, causando a contração anisotrópica das fibras de vidro alinhadas nas direcções paralela e perpendicular. Um passo subsequente de pós-cura aumentou ainda mais a rigidez do material compósito de aproximadamente 300 MPa para cerca de 4,8 GPa.
O processo de impressão e deformação, ilustrado na Figura 8-16, é descrito acima. Foi desenvolvido um modelo de análise de elementos finitos para prever os efeitos do solvente, do teor de fibras e da orientação das fibras nas alterações de forma.
Os resultados confirmaram que a retração volumétrica anisotrópica pode atuar como uma dobradiça ativa, permitindo a auto-transformação de estruturas complexas com grande deformação e elevado módulo. Estas estruturas apresentam aplicações potenciais em estruturas leves com capacidade de suporte de carga.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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