4D Printing คืออะไร ? รู้จักการพิมพ์ 4 มิติ เพราะในเมื่อการพิมพ์ 3 มิติ ยังไม่เจ๋งพอ

4D Printing คืออะไร ? เมื่อพิมพ์ 3 มิติ มันยังเจ๋งไม่พอ ก็พิมพ์แบบ 4 มิติ กันไปเลย

ทุกคนลองจินตนาการถึงวัตถุที่สามารถเปลี่ยนรูปร่าง หรือปรับตัวเองได้ตามสภาพแวดล้อมโดยอัตโนมัติ ไม่ต้องใช้มอเตอร์ หรือระบบไฟฟ้าใด ๆ ที่พูดมานี่ไม่ใช่แนวคิดจากภาพยนตร์วิทยาศาสตร์ใด ๆ แต่จริง ๆ แล้วมันคือ การพิมพ์ 4 มิติ (4D Printing) เทคโนโลยีการพิมพ์ที่ก้าวล้ำไปอีกขั้นจาก การพิมพ์ 3 มิติ (3D Printing) ที่มีการเพิ่มมิติของ "เวลา" เข้าไป ทำให้วัตถุที่พิมพ์ออกมา สามารถเปลี่ยนแปลงตัวเองได้เมื่อเจอกับปัจจัยภายนอก 

ว่าแต่ 4D Printing มันคืออะไรกันแน่ ?, ทำงานอย่างไร? มันถูกนำไปใช้อย่างไรบ้าง? มาหาคำตอบไปพร้อมกันในบทความนี้เลย !

การพิมพ์ 4 มิติ คืออะไร ? (What is 4D Printing ?)

การพิมพ์ 4 มิติ (4D Printing) เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ที่พัฒนาต่อยอดมาจาก 3D Printing โดยใช้เครื่องพิมพ์แบบสามมิติสร้างวัตถุจาก วัสดุอัจฉริยะ (Smart Material) ที่สามารถ เปลี่ยนรูปร่าง หรือคุณสมบัติได้เองเมื่อได้รับแรงกระตุ้นจากสิ่งแวดล้อมภายนอก อาจเป็น ความชื้น, อุณหภูมิ, แรงดัน หรือแสง ก็ได้

ภาพจาก : https://www.mdpi.com/polymers/polymers-14-04698/article_deploy/html/images/polymers-14-04698-g001.png

วัสดุที่ใช้ใน 4D Printing มักเป็น พอลิเมอร์อัจฉริยะ, ไฮโดรเจล หรือวัสดุชีวภาพ ซึ่งได้รับการออกแบบให้ตอบสนองต่อปัจจัยภายนอก ทำให้วัตถุสามารถ งอ, พับ, ขยายตัว, ซ่อมแซมตัวเอง หรือแม้แต่สลายตัวได้ โดยอัตโนมัติ ซึ่งเทคโนโลยีนี้กำลังถูกนำไปใช้ในหลายอุตสาหกรรม เช่น การแพทย์ เอาไป สร้างอวัยวะเทียมที่ปรับตัวได้, วิศวกรรม นำไปทำโครงสร้างอาคารที่เปลี่ยนรูปตามสภาพอากาศ และแฟชั่นสร้างเสื้อผ้าที่เปลี่ยนรูปร่างได้ นั่นเอง

ต้นกำเนิดของ การพิมพ์ 4 มิติ (4D Printing Origins)

โดยที่มานั้น 4D Printing เป็นแนวคิดที่ริเริ่มโดย Skylar Tibbits นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์จาก MIT และผู้ร่วมก่อตั้ง Self-Assembly Lab ซึ่งเปิดตัวเทคโนโลยีนี้ครั้งแรกในปี ค.ศ. 2013 (พ.ศ. 2556) และในปัจจุบันยังอยู่ในช่วงการวิจัยพัฒนา แต่คาดว่าในปี ค.ศ. 2030 (พ.ศ. 2573) จะมีการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์มากขึ้น โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมการแพทย์, ก่อสร้าง และการทหาร

ภาพจาก : https://www.youtube.com/watch?v=0gMCZFHv9v8

แนวคิดของ 4D Printing คือการเพิ่ม "มิติของเวลา" ให้กับ 3D Printing ทำให้วัตถุที่พิมพ์ออกมา สามารถเปลี่ยนแปลงตัวเองได้ตามสภาพแวดล้อม โดยไม่ต้องใช้หุ่นยนต์ หรือมนุษย์เข้ามาช่วย ปัจจุบัน Self-Assembly Lab กำลังพัฒนาเทคนิคใหม่ เช่น Rapid Liquid Printing ซึ่งช่วยให้สามารถพิมพ์วัตถุขนาดใหญ่เช่น โซฟา ภายในเวลาเพียงไม่กี่นาที รวมถึงการใช้วัสดุที่ยืดหยุ่นได้ เช่น พลาสติก, ยาง และโฟม เพื่อสร้างชิ้นงานที่ปรับตัวได้ตามการใช้งานจริง

ภาพจาก : https://www.youtube.com/watch?v=MyK4BzbxcdU

วัสดุ และเทคนิคที่ใช้ใน 4D Printing (Material and Technique Used in 4D Printing)

การพิมพ์ 4 มิติ (4D Printing) ใช้หลักการของ Stereolithography (SLA) ซึ่งเป็นเทคนิคการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้ แสงอัลตราไวโอเลต (UV) ในการทำให้วัสดุแข็งตัวเป็นชั้น ๆ จุดเด่นของ 4D Printing คือการจัดเรียงวัสดุในระดับไมโคร (ระดับที่เล็กมาก Micromiter) ให้มีทิศทางเฉพาะ ทำให้ชิ้นงานสามารถ เปลี่ยนรูปร่างได้เองเมื่อได้รับแรงกระตุ้นจากสิ่งแวดล้อม เราลองมาดูวัสดุที่นำมาทำกัน

ภาพจาก : https://technologystudent.com/despro_3/stereo1.html

1. โครงสร้างเส้นใย (Fiber Architecture)

วัสดุใน 4D Printing มักใช้เครือข่ายเส้นใยที่มี ขนาด และคุณสมบัติแตกต่างกัน เพื่อออกแบบการเปลี่ยนแปลงของวัตถุเมื่อได้รับแรงกระตุ้น

2. พอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่อน้ำ (Hydro-reactive Polymers)

นักวิจัยจาก MIT ได้พัฒนา พอลิเมอร์แบบผสม ที่สามารถ พองตัวได้มากถึง 150% เมื่อแช่น้ำ โดยใช้วัสดุที่มีทั้งองค์ประกอบที่ดูดซับน้ำ และแข็งตัว ซึ่งช่วยให้วัตถุเปลี่ยนรูปร่างได้ ตัวอย่างเช่น โซ่ที่พิมพ์ออกมาแช่น้ำ แล้วจะเรียงตัวเป็นตัวอักษร "MIT"

3. เซลลูโลสคอมโพสิต (Cellulose Composites)

วัสดุเซลลูโลสถูกนำมาใช้ใน 4D Printing เพื่อให้ชิ้นงาน ตอบสนองต่อระดับความชื้น โดยออกแบบให้มีฟิล์มสองชั้น ด้านหนึ่งดูดซับน้ำได้ดี (ไฮโดรฟิลิก) อีกด้านกันน้ำ (ไฮโดรโฟบิก) เมื่ออุณหภูมิ และความชื้นเปลี่ยนไป ฟิล์มนี้สามารถ ม้วนตัวหรือคลายตัวได้เอง ซึ่งสามารถนำไปใช้ในวัสดุที่ต้องการปรับรูปร่างตามสภาพแวดล้อมนั่นเอง

4. พอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิ (Thermo-Reactive Polymers)

พอลิเมอร์ชนิดนี้สามารถ เปลี่ยนสถานะเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น Poly(N-isopropylacrylamide) หรือ pNIPAM เป็นไฮโดรเจลที่ พองตัวในน้ำที่อุณหภูมิ 32°C และหดตัวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ใช้ในการพิมพ์ วาล์วอัจฉริยะ ที่สามารถ ปิดเมื่อสัมผัสน้ำร้อน และเปิดเมื่อสัมผัสน้ำเย็น

5. พอลิเมอร์ที่จดจำรูปร่างได้ (Shape-Memory Polymers - SMPs)

พอลิเมอร์ชนิดนี้สามารถ คืนรูปร่างเดิมหลังจากถูกบิดงอ เมื่อได้รับแรงกระตุ้น เช่น ถูกความร้อน ตัวอย่างการใช้งาน ได้แก่ กล่องพับอัตโนมัติ ที่สามารถพับ และกางออกเอง

6. พอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่อแสง (Photo-Reactive Polymers)

พอลิเมอร์ชนิดนี้สามารถ โค้งงอได้เมื่อได้รับแสงความเข้มสูง โดยใช้สารเคมีที่ทำให้วัสดุเกิดแรงตึงในทิศทางที่กำหนด

การประยุกต์ใช้ การพิมพ์ 4 มิติ ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ (Application of 4D Printing in Various Industries)

การพิมพ์ 4 มิติ (4D Printing) กำลังจะเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมครั้งใหญ่ ด้วยคุณสมบัติที่ทำให้วัตถุสามารถ เปลี่ยนรูปร่าง และปรับตัวเองได้ตามสภาพแวดล้อม จึงสามารถนำไปใช้ได้ในหลากหลายสาขา เราลองมาดูตัวอย่างที่ถูกนำไปใช้งานจริง ๆ กัน

1. การแพทย์ และศัลยกรรม

ในปี ค.ศ. 2015 (พ.ศ. 2558) ทีมแพทย์จากมหาวิทยาลัยมิชิแกนประสบความสำเร็จในการช่วยชีวิตทารกที่มีปัญหาทางเดินหายใจ ด้วยการใช้ อุปกรณ์ฝังด้านใน พิมพ์ด้วย 4D Printing ทำจาก พอลีคาโปรแลคโตน (Polycaprolactone) ซึ่งสามารถขยายตัวตามการเจริญเติบโตของเด็ก และสลายตัวไปเองเมื่อไม่จำเป็นอีกต่อไป นอกจากนี้ 4D Printing ยังถูกนำมาใช้ในการอัลตราซาวด์ เพื่อช่วยให้แพทย์มองเห็นโครงสร้าง และพัฒนาการของระบบประสาทของทารกในครรภ์ได้ชัดเจนยิ่งขึ้นอีกด้วย

ภาพจาก : https://www.iberdrola.com/innovation/what-is-print-4d

นอกเหนือจากนั้น มีการพัฒนา ขดลวดขยายหลอดเลือด (Stent) ที่สามารถปรับตัวเองให้เหมาะกับร่างกายของผู้ป่วยโดยอาศัยความร้อนจากร่างกาย ทำให้สามารถขยายตัวได้อย่างเหมาะสม และลดความเสี่ยงต่อภาวะแทรกซ้อน

2. เสื้อผ้า

4D Printing ช่วยให้สามารถผลิตเสื้อผ้าที่สามารถ ปรับตัวเข้ากับรูปร่าง และการเคลื่อนไหวของร่างกาย ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการทหาร ที่กำลังมีการพัฒนาเครื่องแบบที่สามารถเปลี่ยนสีตามสภาพแวดล้อม  หรือปรับการระบายอากาศ และความหนาของเนื้อผ้าตามอุณหภูมิได้ ลดอัตราการเต้นของหัวใจของผู้สวมใส่ เทคโนโลยีนี้ยังสามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมแฟชั่น เพื่อสร้างเสื้อผ้าที่สามารถเปลี่ยนแปลงลักษณะพื้นผิว หรือปรับตัวตามแสง และอุณหภูมิ

ภาพจาก : https://www.iberdrola.com/innovation/what-is-print-4d

3. การบิน และยานยนต์

NASA ได้พัฒนา ผ้าโลหะอัจฉริยะ (Smart Metallic Fabric) โดยใช้ การพิมพ์ 4 มิติ (4D Printing) เพื่อสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวน ช่วยปกป้องนักบินอวกาศจากอุณหภูมิที่รุนแรงในอวกาศ ผ้าชนิดนี้ยังมีศักยภาพในการนำไปใช้ป้องกันยานอวกาศจากอุกกาบาต นอกจากนี้ Airbus ก็กำลังทดสอบวัสดุที่สามารถตอบสนองต่ออุณหภูมิ เพื่อช่วยควบคุมอุณหภูมิของเครื่องยนต์ และเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องบิน

ภาพจาก : https://www.iberdrola.com/innovation/what-is-print-4d

ในอุตสาหกรรมยานยนต์ ก็มีแนวคิดในการนำ 4D Printing มาใช้เพื่อพัฒนาถุงลมนิรภัยอัจฉริยะ ที่สามารถรับรู้แรงกระแทก และปรับตัวได้ล่วงหน้าเพื่อลดความรุนแรงของการบาดเจ็บ เทคโนโลยีนี้ยังสามารถนำไปใช้กับวัสดุภายในรถยนต์ เช่น เบาะนั่งที่สามารถปรับรูปร่างให้เหมาะกับสรีระของผู้ขับขี่โดยอัตโนมัตินั่นเอง

ภาพจาก : https://www.youtube.com/watch?v=Z2oWlpRYGc4

บทสรุปของ การพิมพ์ 4 มิติ (4D Printing Conclusions)

การพิมพ์ 4 มิติ (4D Printing) เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ที่ต่อยอดจาก 3D Printing โดยเพิ่ม "มิติของเวลา" ทำให้วัตถุสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้เองเมื่อได้รับแรงกระตุ้นจากสิ่งแวดล้อม โดยไม่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้า หรือมอเตอร์ เทคโนโลยีนี้อาศัยวัสดุอัจฉริยะที่ถูกออกแบบให้ปรับตัวเองได้ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ และความสามารถในการใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ

4D Printing ถูกนำมาใช้ในหลายวงการทั้ง การแพทย์ เช่น ผลิตอวัยวะเทียม และอุปกรณ์ฝังภายในที่สามารถปรับขนาดได้เอง ลดความเสี่ยง และเพิ่มความสะดวกในการรักษา ด้านแฟชั่น และสิ่งทอ ที่มีการพัฒนาเสื้อผ้าที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่าง หรือการระบายอากาศตามอุณหภูมิร่างกาย และในอุตสาหกรรมยานพาหนะเช่นกัน แม้ว่าในปัจจุบัน 4D Printing จะยังอยู่ในช่วงการพัฒนา แต่ในอนาคต เทคโนโลยีนี้จะถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์มากขึ้น และอาจกลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดของยุคต่อไปเลยก็ได้