Electrospun Fields: 3D Nano-Fiber Material Computation as Design Method

Meistens, wenn wir mit Computern Dinge erschaffen, beginnen wir mit einer perfekten Form in unserem Geist. Wir zeichnen eine Linie, definieren eine Kurve und sagen einer Maschine, dass sie diesen Anweisungen exakt folgen soll, wobei wir das Material als eine passive Substanz behandeln, die einfach nur gehorcht. Aber es gibt einen anderen Weg, Dinge zu erschaffen, bei dem das Material selbst ein Partner im Prozess ist. Stellen Sie sich einen Prozess vor, bei dem Sie nicht die endgültige Form diktieren, sondern stattdessen eine Reihe von Bedingungen festlegen – wie eine bestimmte Art von Flüssigkeit, eine gewisse Menge an Elektrizität und eine bestimmte Form, auf der das Objekt wachsen soll – und dann die Physik der Situation entscheiden lassen, wie das Objekt aussieht. Dieser Ansatz, bekannt als Materialberechnung (Material Computation), betrachtet die Naturgesetze nicht als Hindernisse, die es zu überwinden gilt, sondern als die eigentlichen Werkzeuge, die zur Erschaffung genutzt werden. Er verschiebt die Rolle des Designers von einem strengen Architekten, der jedes Detail zeichnet, hin zu einem Gärtner, der den Boden vorbereitet und darauf wartet, zu sehen, was wächst.

Dies ist die Welt, die ein Team von Forschern am MIT und der Harvard University erforscht hat, die eine neue Methode entwickelt haben, um dreidimensionale Objekte mittels einer Technik namens Elektrospinning herzustellen. In einer Standardlaborumgebung wird Elektrospinning oft verwendet, um flache Schichten winziger Fasern für Dinge wie medizinische Filter oder Verbände herzustellen. Dabei wird ein hochspannendes elektrisches Feld genutzt, um ein flüssiges Polymer in unglaublich feine Fäden zu ziehen, die dann fest werden, während sie durch die Luft fliegen. Normalerweise geschieht dies auf einer flachen Oberfläche, und das Ziel ist es, die Fasern so gleichmäßig und vorhersehbar wie möglich zu gestalten. Die Forscher hinter diesem Projekt stellten jedoch eine andere Frage: Was wäre, wenn wir aufhörten, jeden Zentimeter der Faser kontrollieren zu wollen, und stattdessen das elektrische Feld und die Form des Objekts den Prozess leiten ließen? Sie wollten sehen, ob sie komplexe, dreidimensionale Strukturen wachsen lassen könnten, die aus der Wechselwirkung zwischen dem Material, der Elektrizität und der Geometrie des Objekts hervorgehen, anstatt in eine vorgegebene Form gepresst zu werden.

Um diese Idee zu testen, musste das Team zuerst herausfinden, welche Materialien sich am besten für diese Art von experimentellem Wachstum eignen würden. Sie konzentrierten sich auf biokompatible Substanzen, das heißt Materialien, die sicher in der Nähe des menschlichen Körpers sind, wie Proteine, die in Haaren und Seide vorkommen, sowie gängige synthetische Polymere. Sie mischten diese Substanzen in flüssige Lösungen und testeten, wie sie sich verhielten, wenn sie zu Fasern gesponnen wurden. Sie fanden heraus, dass einige Mischungen, wie etwa eine Mischung aus Polyvinylalkohol und Wasser, starke, konsistente Fasern erzeugten, die schnell gesponnen werden konnten. Andere, wie eine Mischung aus menschlichem Haarprotein und einem synthetischen Trägerstoff, produzierten Fasern, die wunderschön und irisierend, aber zerbrechlicher waren. Durch die sorgfältige Messung, wie schnell die Flüssigkeit floss, wie stark die elektrische Spannung war und wie weit die Fasern reisten, erstellten sie einen Katalog darüber, wie verschiedene Materialien auf den elektrischen Zug reagieren. Dieser Katalog dient Designern als Leitfaden und zeigt ihnen, welche Materialien dichte, dicke Schichten erzeugen und welche zarte, durchsichtige Membranen bilden.

Der nächste Schritt bestand darin, zu verstehen, wie die Form des entstehenden Objekts die Fasern beeinflusst. Die Forscher erstellten eine Serie einfacher Drahtgestelle und 3D-gedruckter Formen, die von einzelnen Punkten bis hin zu komplexen Gittern reichten, und nutzten diese als Basis für ihr Elektrospinning. Sie entdeckten, dass die Form des Objekts wie eine Landkarte für das elektrische Feld wirkt. Wenn das elektrische Feld auf eine gekrümmte Oberfläche trifft, ändert es seine Richtung, und die Fasern folgen diesen Änderungen. Sie fanden heraus, dass auf gekrümmten Oberflächen, die nach außen gewölbt sind, die Fasern gleichmäßig landen und eine konsistente Schicht aufbauen. Wenn die Fasern jedoch auf eine tiefe Senke oder ein Tal in der Form treffen, wird das elektrische Feld blockiert – ein Phänomen, das sie Feldabschirmung (Field Shielding) nennen. In diesen konkaven Bereichen können die Fasern den Boden nicht erreichen; stattdessen spannen sie sich über die Oberseite der Vertiefung, wodurch eine Haut über dem Hohlraum entsteht. Dies war eine entscheidende Erkenntnis, da sie zeigte, dass eine stationäre Maschine, die nur aus einer Richtung sprühen kann, nicht jede Nische und jede Ecke eines komplexen 3D-Objekts ausfüllen kann.

Um dieses Problem des Erreichens tiefer Täler zu lösen, baute das Team einen maßgeschneiderten Roboterarm, der mit einer Spinnadel ausgestattet ist. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Maschine, die stationär bleibt, kann dieser Roboter die Nadel um das Objekt herum bewegen, sie neigen und drehen, um das elektrische Feld genau dorthin zu lenken, wo es benötigt wird. Durch die Neuausrichtung der Nadel kann der Roboter die Fasern in die konkaven Bereiche führen, die zuvor unerreichbar waren. Dies ermöglichte es ihnen, komplizierte, dreidimensionale Kleidungsstücke und Masken zu erstellen, die sich um komplexe Kurven legen, ohne Lücken zu hinterlassen. Eine ihrer beeindruckendsten Kreationen ist eine Maske aus menschlichem Haar, das aufgelöst und wieder in eine Nanofaser-Membran gesponnen wurde. Die Maske wird über ein Drahtgestell in Gesichtsform „gewachsen“, wobei der Roboter die Nadel sorgfältig manövriert, um sicherzustellen, dass die Fasern jede Kontur abdecken und so ein Abfallprodukt des Körpers in eine tragbare, schützende Schicht verwandeln.

Die Forscher untersuchten auch, wie das elektrische Feld selbst als Zeichenwerkzeug genutzt werden kann. In einem Experiment bauten sie ein Gitter aus Metallstiften auf und verbanden nur bestimmte davon mit der Erde, während die anderen „floating“ blieben. Wenn sie die Fasern spannen ließen, landete das Material nur auf den Stiften, die aktiv waren, wodurch sie effektiv ein Muster in der Luft „zeichneten“, ohne dass ein physischer Leitfaden vorhanden war. Dies demonstrierte, dass das elektrische Feld programmiert werden konnte, um Formen zu erzeugen, die keine physischen Objekte sind, bis die Fasern landen. Es ist eine Art, die unsichtbare Kraft der Elektrizität durch die Akkumulation von Material sichtbar zu machen. Das Team zeigte, dass sie durch die Änderung der aktiven Stifte das Muster verändern konnten, was auf eine Zukunft hindeutet, in der Materialien auf Abruf in Formen gezüchtet werden können, die im Voraus nicht feststehen.

Durch diese Experimente hat das Team eine neue Methode des Designs etabliert, bei der die endgültige Form nicht auf einem Computerbildschirm gezeichnet wird, sondern aus der Physik des Prozesses hervorgeht. Sie haben gezeigt, dass Designer durch das Verständnis dessen, wie elektrische Felder mit verschiedenen Formen und Materialien interagieren, Strukturen erschaffen können, die leicht, stark und einzigartig auf ihre Umgebung abgestimmt sind. Die Arbeit geht über die bloße Idee hinaus, eine vorgefertigte Form zu drucken, und bietet stattdessen einen Weg, Formen zu kultivieren, bei dem der Designer die Bedingungen festlegt und das Material den Rest erledigt. Dieser Ansatz öffnet die Tür zur Herstellung von allem – von maßgeschneiderten medizinischen Verbänden, die sich exakt an die Konturen der Haut eines Patienten anpassen, bis hin zu künstlerischen Skulpturen, die eher gewachsen als montiert sind, und beweist, dass der beste Weg, etwas zu bauen, manchmal darin besteht, es sich selbst bauen zu lassen.