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

Meestal, wanneer we dingen met computers bouwen, beginnen we met een perfecte vorm in ons hoofd. We tekenen een lijn, definiëren een curve en vertellen een machine om die instructies exact op te volgen, waarbij we het materiaal behandelen als een passieve substantie die simpelweg gehoorzaamt. Maar er is een andere manier om na te denken over het maken van dingen, een manier waarbij het materiaal zelf een partner is in het proces. Stel je een proces voor waarbij je niet de uiteindelijke vorm dicteert, maar in plaats daarvan een reeks condities instelt—zoals een specifiek type vloeistof, een bepaalde hoeveelheid elektriciteit en een specifieke vorm voor het object om op te groeien—en vervolgens de fysica van de situatie laat beslissen hoe het object eruitziet. Deze benadering, bekend als materiaalcomputatie, behandelt de natuurwetten niet als obstakels die overwonnen moeten worden, maar als de instrumenten die worden gebruikt om te creëren. Het verschuift de rol van de ontwerper van een strikte architect die elk detail tekent naar een tuinier die de grond voorbereidt en wacht om te zien wat er groeit.

Dit is de wereld die wordt verkend door een team onderzoekers van MIT en Harvard, die een nieuwe manier hebben ontwikkeld om driedimensionale objecten te creëren met behulp van een techniek genaamd electrospinning. In een standaard laboratoriumsetting wordt electrospinning vaak gebruikt om platte vellen van minuscule vezels te maken voor zaken als medische filters of verbandmiddelen. Het werkt door een hoogspannings-elektrisch veld te gebruiken om een vloeibaar polymeer in ongelooflijk fijne draden te trekken, die vervolgens stollen terwijl ze door de lucht vliegen. Meestal gebeurt dit op een plat oppervlak, en is het doel om de vezels zo uniform en voorspelbaar mogelijk te maken. De onderzoekers achter dit project stelden echter een andere vraag: wat als we stopten met het proberen te controleren van elke centimeter van de vezel en in plaats daarvan het elektrische veld en de vorm van het object het proces lieten leiden? Ze wilden zien of ze complexe, driedimensionale structuren konden laten ontstaan uit de interactie tussen het materiaal, de elektriciteit en de geometrie van het object, in plaats van dat deze in een vooraf bepaalde mal werden gedwongen.

Om dit idee te testen, moest het team eerst uitzoeken welke materialen het beste zouden werken voor dit soort experimentele groei. Ze richtten zich op biocompatibele substanties, wat betekent dat materialen die veilig zijn in de buurt van het menselijk lichaam, zoals eiwitten die in haar en zijde worden gevonden, evenals veelvoorkomende synthetische polymeren. Ze mengden deze substanties in vloeibare oplossingen en testten hoe ze zich gedroegen wanneer ze in vezels werden gesponnen. Ze ontdekten dat sommige mengsels, zoals een blend van polyvinylalcohol en water, sterke, consistente vezels creëerden die snel gesponnen konden worden. Anderen, zoals een mengsel van menselijk haar-eiwit en een synthetische drager, produceerden vezels die prachtig en iriserend waren maar kwetsbaarder. Door nauwkeurig te meten hoe snel de vloeistof stroomde, hoe sterk de elektrische spanning was en hoe ver de vezels reisden, creëerden ze een catalogus van hoe verschillende materialen reageren op de elektrische aantrekkingskracht. Deze catalogus dient als een gids voor ontwerpers, die hen laat zien welke materialen dichte, dikke lagen zullen creëren en welke delicate, transparante membranen zullen vormen.

De volgende stap was begrijpen hoe de vorm van het object dat wordt gebouwd de vezels beïnvloedt. De onderzoekers maakten een reeks eenvoudige draadframes en 3D-geprinte vormen, variërend van enkele punten tot complexe roosters, en gebruikten deze als basis voor hun electrospinning. Ze ontdekten dat de vorm van het object fungeert als een kaart voor het elektrische veld. Wanneer het elektrische veld een gebogen oppervlak raakt, verandert het van richting, en de vezels volgen die veranderingen. Ze ontdekten dat op gebogen oppervlakken die naar buiten bollen, de vezels gelijkmatig landen en een consistente laag opbouwen. Echter, wanneer de vezels een diepe kuil of een dal in de vorm tegenkomen, wordt het elektrische veld geblokkeerd, een fenomeen dat zij veldafscherming noemen. In deze holle gebieden kunnen de vezels de bodem niet bereiken; in plaats daarvan overbruggen ze de bovenkant van de kuil, waardoor een huid over de holle ruimte wordt gevormd. Dit was een cruciale bevinding omdat het aantoonde dat een vaste machine, die slechts vanuit één richting kan spuiten, niet elke nis en elk hoekje van een complexe 3D-vorm kan opvullen.

Om dit probleem van het bereiken van diepe dalen op te lossen, bouwde het team een aangepaste robotarm uitgerust met een spinnaald. In tegenstelling tot een traditionele machine die stilstaat, kan deze robot de naald rond het object bewegen, kantelen en draaien om het elektrische veld precies daarheen te richten waar het nodig is. Door de naald te heroriënteren, kan de robot de vezels in de holle gebieden leiden die voorheen onbereikbaar waren. Dit stelde hen in staat om ingewikkelde, driedimensionale kledingstukken en maskers te maken die zich om complexe curven wikkelen zonder gaten achter te laten. Een van hun meest opvallende creaties is een masker gemaakt van menselijk haar dat is opgelost en opnieuw gesponnen tot een nanofiber-membraan. Het masker wordt gegroeid over een draadframe in de vorm van een gezicht, waarbij de robot de naald zorgvuldig manoeuvreert om ervoor te zorgen dat de vezels elk contour bedekken, waardoor een afvalproduct van het lichaam wordt omgevormd tot een draagbare, beschermende laag.

De onderzoekers verkenden ook hoe het elektrische veld zelf als een tekeninstrument gebruikt kan worden. In één experiment stelden ze een rooster van metalen pinnen op en verbonden ze slechts specifieke pinnen met de aarde, terwijl de andere zwevend bleven. Wanneer ze de vezels sponnen, landde het materiaal alleen op de actieve pinnen, waardoor ze effectief een patroon in de lucht "tekenden" zonder enige fysieke gids. Dit toonde aan dat het elektrische veld geprogrammeerd kon worden om vormen te creëren die niet als fysieke objecten bestaan totdat de vezels landen. Het is een manier om de onzichtbare kracht van elektriciteit zichtbaar te maken door de accumulatie van materiaal. Het team liet zien dat door te wijzigen welke pinnen actief waren, ze het patroon konden veranderen, wat suggereert dat materialen in de toekomst op aanvraag kunnen worden gegroeid in vormen die niet vooraf vaststaan.

Door deze experimenten heeft het team een nieuwe methode voor ontwerp vastgesteld waarbij de uiteindelijke vorm niet op een computerscherm wordt getekend, maar voortkomt uit de fysica van het proces. Ze hebben aangetoond dat door te begrijpen hoe elektrische velden interageren met verschillende vormen en materialen, ontwerpers structuren kunnen laten groeien die licht, sterk en uniek geschikt zijn voor hun omgeving. Het werk gaat verder dan het idee van simpelweg een vooraf gemaakt object printen en biedt in plaats daarvan een manier om vorm te cultiveren, waarbij de ontwerper de condities instelt en het materiaal de rest doet. Deze benadering opent de deur naar het creëren van alles, van op maat gemaakte medische verbanden die exact aansluiten op de contouren van de huid van een patiënt tot artistieke sculpturen die gegroeid in plaats van geassembleerd zijn, wat bewijst dat soms de beste manier om iets te bouwen is om het zichzelf te laten bouwen.