Công nghệ in 3D tạo ra các sản phẩm nhanh chóng, chính xác là cuộc cách mạng lớn trong phát triển công nghệ, giờ đây có thể sẽ lỗi thời bởi sự xuất hiện của in 4D.

Có thể thay đổi hình dạng trong điều kiện cụ thể

In 4D là sự mở rộng của in 3D bằng cách thêm thời gian là chiều thứ tư. Trong in 3D, một vật thể 3D rắn được “in” ra nhờ một chiếc máy in, nhưng thành phần của vật liệu xây dựng trong 3 chiều khiến cho vật thể được in chỉ có thể thay đổi hình dạng của nó trong thời gian thực hiện in.

Còn in 4D cho phép in ra các vật thể gồm một cấu trúc hoàn chỉnh duy nhất có thể thay đổi hình dạng của nó trong các điều kiện cụ thể. Ví dụ, những điểm xoay cố hữu, điểm áp lực hoặc linh kiện điện tử cho phép một sản phẩm dưới tác động của ánh sáng hoặc thay đổi nhiệt độ có thể tăng kích thước chỉ ở một phần cụ thể chứ không phải toàn bộ sản phẩm.

Nếu máy in 3D thực hiện in chồng từng lớp vật liệu thành khối để tạo nên vật thể 3 chiều “tĩnh”, thì in 4D cũng sở hữu kỹ thuật chồng lớp này, nhưng tạo ra những sản phẩm thông minh “động” (có thể mở rộng, uốn cong, thu nhỏ, gấp lại và thay đổi tính năng...).

Công nghệ in 4D xuất hiện không có nghĩa là công nghệ in 3D đã lỗi thời, mà đó là sự “nối tiếp”, bổ sung lẫn nhau giữa 2 kỹ thuật in tiên tiến để cùng đạt đến tầm cao mới.

Công nghệ in 4D mở ra rất nhiều ý tưởng táo bạo trong tương lai như phòng thí nghiệm có thể tự xây dưới đáy biển, tàu vũ trụ tự tạo hình mà không cần các phi hành gia phải lắp ráp thủ công.

Thậm chí, trong tương lai công nghệ này còn có thể ứng dụng ngay trong cơ thể người bằng cách cấy ghép các loại vật liệu siêu nhỏ kích thước nano sau đó sẽ được định hình dưới tác dụng của sóng siêu âm.

Các nhà khoa học hy vọng trong tương lai có thể sử dụng in 4D để tạo các vật thể có khả năng thay đổi hình dạng dưới tác động của ánh sáng, nhiệt độ và thậm chí cả âm thanh. In 4D có thể được áp dụng vào xây dựng, bằng cách sử dụng vật liệu lập trình tự biến thành một tòa nhà, gồm cả đường điện và hệ thống cấp nước.

Những ứng dụng của in 4D

In 4D sử dụng các vật liệu in như nhựa nhiệt dẻo, kim loại, gốm sứ có hình dạng ổn định, khó tạo ra các biến dạng và thay đổi lớn trước tác động của môi trường. Sử dụng các vật liệu như hydrogel, polymer ghi nhớ hình dạng (SMPs), hợp kim ghi nhớ hình dạng (SMAs)…, có khả năng lập trình, tự biến dạng, tự “lắp ráp” và tự thích ứng trong điều kiện thay đổi của môi trường như: Nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm và từ tính.

Giới khoa học nhận định, công nghệ in 4D có khả năng trở thành cuộc cách mạng trong rất nhiều lĩnh vực. Trong chế tạo robot truyền thống, các vật liệu như kim loại, nhựa cứng và gốm sứ được sử dụng để phát triển robot.

Những robot này được thiết kế cho các ứng dụng và điều kiện môi trường cụ thể (không thể chịu được mọi điều kiện môi trường). Chúng không thể đạt được các biến dạng lớn và không thể thực hiện các nhiệm vụ đòi hỏi tính linh hoạt.

Để khắc phục những hạn chế này, lĩnh vực robot mềm (soft robotics) đã được phát triển để tạo ra những robot linh hoạt, có thể thay đổi độ cứng của chúng và điều chỉnh theo điều kiện môi trường. Cấu trúc in 4D được xem là phù hợp nhất để phát triển lĩnh vực robot mềm vì đặc tính linh hoạt, có khả năng biến dạng và tự điều chỉnh theo những thay đổi bên ngoài.

In 4D có thể được sử dụng để chế tạo các cấu trúc tự phát triển, có thể đạt được hình dạng ban đầu khi tiếp xúc với môi trường cụ thể (ví dụ như môi trường nước). Cấu trúc được in sử dụng một polymer ưa nước trên chất nền nhựa, polymer sẽ tăng thể tích khi tiếp xúc với nước.

In 4D có thể hữu ích trong việc phát triển các cảm biến. Các cấu trúc in 4D có khả năng phản ứng với độ ẩm, nhiệt độ, độ pH… Do đó, chúng có thể đóng vai trò là cảm biến cho những tác động môi trường. Thêm vào đó, cấu trúc in 4D có độ phản hồi cao nên sẽ làm cho các cảm biến trở nên linh hoạt và hiệu quả hơn. Chế tạo mạch in và thiết bị điện tử là một ứng dụng khác của in 4D.

Trong lĩnh vực y tế, công nghệ in 4D có thể được sử dụng trong các ứng dụng tiên tiến, từ kỹ thuật mô và thiết bị y sinh thông minh. Thậm chí xa hơn, công nghệ này còn được ứng dụng ngay trong cơ thể người bằng cách cấy ghép các loại vật liệu siêu nhỏ có kích thước nano, sau đó, được định hình theo ý định của bác sĩ dưới tác dụng của sóng siêu âm.

Vật liệu sinh học in 4D không chỉ giúp những bệnh nhân mắc bệnh về đường hô hấp với các nẹp y sinh có thể thay đổi hình dạng, mà còn có thể cứu chữa bệnh nhân mắc chứng rối loạn chức năng liên quan tới tim, xương, cơ hay ruột.

Công nghệ in 4D cũng có thể được sử dụng để in da nhân tạo (có khả năng thay đổi hình dạng và hoạt động) dùng cấy ghép mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài…