В процессе разработки исследователи вдохновлялись механизмом размножения лианы диоскореи клубненосной (Dioscorea bulbifera) и запрограммировали напечатанные системы на выполнение сложных движений под воздействием влаги.

Команда уже применила этот подход для создания самозатягивающейся ортопедической шины для запястья, которая автоматически обхватывает руку пациента. Информация об этом значимом достижении была опубликована в журнале Advanced Science.

Метод 4D-печати предполагает, что форма структуры, созданной с помощью 3D-принтера, изменяется со временем. Эти изменения могут быть вызваны различными факторами, такими как электростимуляция, тепло и влага. Многие объекты, созданные с использованием 4D-печати, запрограммированы на изменение геометрии благодаря специально расположенным слоям и складкам, которые могут сжиматься и расширяться для достижения нужного эффекта.

В данном случае ученые использовали принцип, аналогичный тому, как лиана обвивается вокруг ствола дерева. Диоскорея прорастает отростками, называемыми стикулами, которые помогают стеблю обвиваться и обеспечивают необходимую поддержку. Это позволяет растению достигать солнечного света, который ему жизненно необходим.

Для имитации механизма движения лианы исследователи разработали вычислительную стратегию проектирования, включающую выборочную печать «линий изгиба» в геометрии шины. Эти линии предназначены для определения того, как и в какой степени будет изгибаться шина при воздействии влаги, подобно складкам на листе бумаги.

Выбор материала также сыграл ключевую роль в успешности проекта. Шина была напечатана из древесно-полимерного композита, который способен легко впитывать и выделять влагу. Напечатанная структура включает несколько набухающих и стабилизирующих слоев, которые работают в сочетании с линиями изгиба, создавая спиралевидную форму.

Кроме того, на поверхности шины были предусмотрены карманы, которые помогают выталкивать спираль наружу, создавая напряжение в устройстве. Это, в свою очередь, приводит к сжатию всей шины, позволяя ей плотно облегать руку пользователя и обеспечивать индивидуальную, комфортную поддержку запястья.