Onderzoekers aan de TU Delft hebben met behulp van origami en 3D-printing platte structuren gemaakt die zichzelf tot driedimensionale constructies kunnen vouwen (bijvoorbeeld een tulp). De constructies kunnen zichzelf volgens een vooraf geplande volgorde opbouwen, zodat sommige delen eerder samentrekken dan andere. Normaal gesproken werden hiervoor dure printers en speciale materialen gebruikt. Maar de onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarvoor alleen een normale 3D-printer nodig is, en printmateriaal dat overal verkrijgbaar is. Dit onderzoek kan onder meer leiden tot een grote verbetering van botimplantaten.

De afgelopen jaren heeft Amir Zadpoor van de TU Delft zich ontwikkeld tot een soort origamimeester. Zijn team combineert de traditionele Japanse papiervouwkunst met moderne 3D-printtechnologie om constructies te maken die zichzelf kunnen oprollen, draaien, plooien en vouwen tot allerlei 3D-objecten. In 2016 demonstreerden de onderzoekers al enkele zelfvouwende objecten. ‘Maar we moesten nog een paar belangrijke problemen oplossen’, vertelt Zadpoor.

Meestal komt er veel handwerk kijken bij shape-shifting, zoals de techniek ook wel wordt genoemd. En het materiaal dat onderzoekers hier doorgaans voor inzetten is duur en niet overal verkrijgbaar. Maar in dit recente project heeft het team van Zadpoor een Ultimaker gebruikt, een van de populairste 3D-printers, en PLA, het meest gebruikte printmateriaal. ‘Dat is spotgoedkoop, ongeveer 17 euro per kilo,’ zegt Zadpoor, ‘maar we hebben er uiterst complexe van vorm veranderende objecten mee gemaakt.’ Het proces is bovendien volledig geautomatiseerd en er komt geen handwerk aan te pas.

Uitstel programmeren

Het meest geavanceerde aspect van de ‘shapeshiftende’ objecten van het team is het feit dat ze zichzelf vouwen, in vooraf geplande stappen. ‘Voor het maken van complexe vormen moeten sommige delen eerder worden gevouwen dan andere’, legt Zadpoor uit. ‘Daarom moesten we vertragingen programmeren in het materiaal. Dit heet sequential shape-shifting.’ 

TU Delft - Self-folding tulip

Het team van Zadpoor is hierin geslaagd door tijdens het printen het materiaal op bepaalde plekken uit te rekken. ‘Het uitrekken wordt in het materiaal als geheugen opgeslagen’, legt promovendus Teunis van Manen uit. ‘Wanneer de temperatuur wordt verhoogd, wordt het geheugen geactiveerd en wil het materiaal terugkeren in de oorspronkelijke toestand.’ Door ook de dikte en de rangschikking van de vezels in het materiaal af te wisselen, wisten de onderzoekers tweedimensionale structuren te maken die sequentieel van vorm veranderen.

Duurzame botimplantaten

Deze gecombineerde aanpak van origami en 3D-printen een belangrijke stap in de ontwikkeling van betere botimplantaten. De techniek maakt het namelijk mogelijk om prothesen te maken die vanbinnen poreus zijn. Daardoor kunnen de eigen stamcellen van de patiënt zich aan het binnenoppervlak van het implantaat hechten, in plaats van alleen als een laag aan de buitenkant. Zo wordt het implantaat sterker en duurzamer.

Ook kunnen met deze techniek op het oppervlak van het implantaat nanopatronen worden aangebracht die de celgroei sturen. ‘We noemen dit “instructieve oppervlakken”, omdat ze bepaalde krachten op de stamcellen uitoefenen en ze deze cellen instrueren om zich te ontwikkelen tot de botcellen die wij willen’, zegt promovendus Shahram Janbaz. ‘Een uitsteeksel, bijvoorbeeld, kan stamcellen stimuleren om botcellen te worden.’ Het is onmogelijk om zulke instructieve oppervlakken aan de binnenkant van een 3D-constructie te maken. Zadpoor: ‘Daarom besloten we dat we van een plat oppervlak moesten uitgaan.’

Zelfvouwende meubels

Botimplantaten liggen dus het meest voor de hand als toepassing van het onderzoek, maar het team denkt dat de shapeshifting-technologie op den duur ook tot andere ontwikkelingen kan leiden. ‘Ons onderzoek kan bijvoorbeeld ook nuttig zijn voor geprinte elektronica’, zegt Zadpoor. ‘Met deze techniek zou geprinte 2D-elektronica in een 3D-vorm kunnen worden verwerkt.’

Zadpoor ziet ook een toekomst voor zich waarin je bij IKEA een 2D-plaat kunt kopen. Thuis pak je deze uit en pas je een bepaalde prikkel toe, waarna de plaat vanzelf een gebruiksklaar meubelstuk wordt. Zadpoor: ‘Shapeshifting kan veel bestaande 2D-werelden omvormen tot 3D-werelden. Er hebben zich al partijen bij ons gemeld die interesse hebben om ermee te werken.’

Meer informatie:

Programming 2D/3D shape-shifting with hobbyist 3D printers, Teunis van Manen, Shahram Janbaz en Amir A. Zadpoor: http://dx.doi.org/10.1039/C7MH00269F

Contactpersonen:
Dr. Amir Zadpoor (onderzoeker TU Delft), A.A.Zadpoor@tudelft.nl, +31 15 2781021 of +31 6 43447445.
Claire Hallewas (persvoorlichter TU Delft), C.R.Hallewas@tudelft.nl, +31 6 40953085.