ارگانیسمهای زنده، بافتهای نرم را بمنظور دست یابی به حرکت‌ها و عملکردهای سه بعدی و پیچیده، بسط داده و منقبض می‌کنند. ولی شبیه سازی این حرکت‌ها با مواد ساخته دست انسان، چالش برانگیز است.
یکی از محققان دانشگاه Texas در Arlington اخیرا مطالعه‌ی خلاقانه‌ای در نشریه Nature Communications منتشر ساخته است که امیدها را برای یافتن راه حل این مشکل، زنده نگه می‌دارد.
Kyungsuk Yum، دانشیار دپارتمان علوم و مهندسی UTA و دانشجوی دکترای وی، امیر علی نجومی، فرآیندی را ابداع کرده‌اند که هیدروژل های دو بعدی می‌توانند برای بسط یافتن و کوچک شدن با کنترل فضایی و زمانی که نیرو را به سطوح آنها اعمال می‌کند، برنامه ریزی شده و اشکال پیچیده سه بعدی و حرکات را ایجاد کنند.
این فرآیند بصورت بالقوه می‌تواند مسیر طراحی و تولید سیستم‌های مهندسی بافت نرم را تغییر دهد. کاربردهای بالقوه این تکنولوژی شامل رباتهای نرم bioinspired، عضلات مصنوعی –مواد نرمی هستند که اشکال یا حرکت خود را در پاسخ به سیگنالهای خارجی مانند عضلات ما، تغییر می‌دهند- و مواد قابل برنامه ریزی است. این ایده همچنین در دیگر مواد قابل برنامه ریزی نیز کاربرد دارد.
Yum گفت: “ما این مورد را که چگونه ارگانیسمهای زیستی از بافتهای نرم تغییر شکل پذیر مانند عضلات برای ایجاد شکل، تغییر شکل و حرکت استفاده می‌کنند، مطالعه کردیم؛ زیرا ما به استفاده از این روش بمنظور ساخت ساختارهای دینامیک سه بعدی، علاقه مند هستیم.”
رویکرد وی، از هیدروژل هایی با درجات و میزان تورم و کوچک شدن موضعی که به دما پاسخ می‌دهند، بهره می‌برد. این ویژگی‌ها، Yum را قادر می‌سازد تا نحوه تورم یا کوچک شدن هیدروژل ها را توسط متد پرینت دیجیتال چهار بعدی (که خود آن را ابداع کرده‌است) در پاسخ به تغییرات دمایی، برنامه ریزی کند. متد پرینت دیجیتال چهار بعدی، شامل سه بعد در کنار زمان است.
با بهره گیری از این روش، Yum می‌تواند ساختارهای سه بعدی متعددی را همزمان در یک فرآیند یک مرحله‌ای، پرینت کند. سپس او از نظر ریاضی، جهت گیری آنها و تورم و کوچک شدن این ساختارها را بمنظور تشکیل اشکال سه بعدی مانند اشکال زینی، چروک و مخروط‌ها، برنامه ریزی می‌کند.
او همچنین قوانین طراحی را بر اساس ایده modularity بمنظور تولید ساختارهای پیچیده‌تر، از جمله ساختارهای bioinspired با حرکات برنامه ریزی شده متوالی، وضع کرده‌است. این، اشکال را دینامیک می‌سازد، بنابراین آنها می‌توانند در فضا حرکت کنند. او همچنین می‌تواند سرعت تغییر شکل این ساختارها را کنترل کرده و بدین ترتیب، حرکات پیچیده و متوالی را مانند نحوه حرکت stingray (نوعی ماهی) در اقیانوس، ایجاد کند.
Yum اذعان داشت: “برخلاف تولید افزاینده سنتی، روش پرینت دیجیتال چهار بعدی نوری، ما را قادر می‌سازد تا ساختارهای پیچیده و متعدد را همزمان پرینت کنیم. نکته مهمتر اینکه روش ما بسیار سریع است، کمتر از ۶۰ ثانیه برای پرینت زمان لازم است، و بهمین ترتیب، مقیاس پذیر است.”
Meletis گفت: “رویکرد دکتر Yum برای ساخت ساختارهای سه بعدی برنامه پذیر، توانایی ایجاد زمینه‌های جدید در رباتیک bioinspired و مهندسی بافت را دارا است. سرعت اعمال رویکرد وی در کنار مقیاس پذیری آن، این رویکرد را به یک ابزار منحصربفرد برای مطالعات و کاربردهای آینده تبدیل می‌کند.”
مطالعه Yum با عنوان “Bioinspired 3D structures with programmable morphologies and motions” در تاریخ ۱۲ سپتامبر در نشریه Nature Communications منتشر شده‌است.
