Тонкие гибкие волокна в природе умеют делать удивительные вещи: виноградная лоза цепляется за опору, белки сворачиваются в сложные структуры, а хобот слона может и поднять арахис, и повалить дерево. Инженеры давно пытаются перенести такую управляемую гибкость в искусственные материалы.
Команда из Гарвардского университета (Harvard University) разработала способ трехмерной печати (3D-печати), который превращает мягкие тонкие нити в программируемые «искусственные мышцы». Такие волокна могут изгибаться, скручиваться, расширяться или сокращаться при изменении температуры. Исследование опубликовано в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Как работает новая печать
Работа выполнена в лаборатории Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis). Первый автор исследования — Мустафа Абдельрахман (Mustafa Abdelrahman).
Ученые использовали вращательную многокомпонентную 3D-печать. Это метод, при котором через вращающуюся насадку одновременно подают несколько материалов. Благодаря этому внутри одной тонкой нити можно заранее задать, где будет «активная» часть, меняющая форму, а где — «пассивная» часть, сохраняющая ее.
Активным материалом стал жидкокристаллический эластомер. Эластомер — это мягкий упругий полимер, напоминающий резину. Жидкокристаллический означает, что молекулы внутри материала могут быть упорядочены в определенном направлении. Когда такой материал нагревают выше заданной температуры, он сокращается вдоль этого направления.
Пассивным материалом стал мягкий эластомер, который не меняет форму при нагревании. Он работает как своеобразная направляющая: не дает всей нити просто сжаться одинаково, а заставляет ее изгибаться или скручиваться.
Форма задается еще во время печати
Главная идея в том, что движение нити «записывается» прямо во время печати. Если активный и пассивный материалы расположить рядом, при нагревании одна сторона начнет укорачиваться, а другая будет сопротивляться. В результате волокно изгибается.
Если при печати вращать насадку, можно создать спиральное расположение активных молекул. Тогда при нагревании нить будет не просто сгибаться, а закручиваться или принимать более сложную форму.
Это похоже на заранее запрограммированную пружину: внешне волокна могут выглядеть одинаково, но реагировать на тепло совершенно по-разному.
От отдельных нитей к решеткам и захватам
После того как исследователи научились управлять поведением одной нити, они стали собирать из таких волокон более сложные структуры.
Например, ученые напечатали волнистые нити. Если активный материал находился на внешней стороне изгиба, нагревание выпрямляло волокно и расширяло его. Если активный слой располагался внутри изгиба, та же температура заставляла структуру сокращаться.
Из таких повторяющихся элементов команда создала плоские решетки. При нагревании они раскрывались и могли пропускать шарообразные частицы, а при охлаждении — сжимались и удерживали их. Это показывает возможность создания управляемых фильтров, пористость которых можно менять температурой.
Исследователи также продемонстрировали мягкий захват: решетка могла опускаться на несколько стержней, нагреваться, удерживать их, а затем при охлаждении отпускать.
Почему это называют шагом к искусственным мышцам
Биологические мышцы работают не как один цельный блок, а как система множества волокон, которые вместе создают точные движения. Новая технология пока не повторяет настоящую мышцу полностью, но приближает инженеров к материалам, где сложное движение возникает из заранее организованных мягких волокон.
В одном из опытов решетка с чередующимися участками, которые расширялись и сокращались, при нагревании в масляной ванне превратилась в куполообразную форму. Эта форма хорошо совпала с компьютерными расчетами, что важно для будущего проектирования подобных материалов.
Для проверки поведения материалов команда сотрудничала с Л. Махадеваном (L. Mahadevan) и Джоанной Айзенберг (Joanna Aizenberg). Молекулярное расположение жидкокристаллических эластомеров изучали с помощью рентгеновского рассеяния — метода, который помогает понять, как упорядочены молекулы внутри материала.
Где это может пригодиться
Авторы видят несколько направлений применения. Одно из них — мягкие роботизированные захваты, которые смогут осторожно брать сразу несколько предметов разной формы. Такие системы потенциально полезны там, где жесткий механизм может повредить объект.
Еще одно направление — управляемые фильтры и клапаны. Их отверстия и пути прохождения жидкости можно будет менять с помощью температуры.
Биомедицинские применения тоже возможны, но пока речь идет о раннем этапе. Например, ученые рассматривают переплетенные вводимые волокна, которые могли бы сцепляться внутри нужной области и образовывать пористую структуру с большой поверхностью. В будущем такие подходы могут оказаться полезными там, где требуется быстрое формирование сгустка или временного каркаса для ткани, но до медицинского применения нужны отдельные испытания безопасности и эффективности.
Джексон Уилт (Jackson Wilt), соавтор работы, отметил, что технологию можно развивать дальше: например, создавать более сложные насадки и объединять такие волокна с другими материалами, включая проводящие каналы.
Что важно понимать пациентам и врачам
Это не готовое медицинское изделие и не новая «мышца» для пересадки человеку. Исследование показывает технологическую платформу — способ заранее задавать движение мягкому материалу при печати.
Тем не менее такие разработки важны для будущей медицины. Мягкие материалы, которые меняют форму по сигналу, могут быть полезны в малоинвазивных устройствах, управляемых имплантатах, тканевой инженерии и системах доставки веществ. Но между лабораторной демонстрацией и клиническим применением обычно проходят годы испытаний.
С близкой стороны эту тему дополняют исследования, где 3D-печать используют для создания биомедицинских конструкций и доставки активных веществ.
Литература
Abdelrahman, M. K., et al. Rotational 3D printing of active–passive filaments and lattices with programmable shape morphing // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2026. DOI: 10.1073/pnas.2537250123.