Dù tiềm năng chỉ mới mở ra nhưng công nghệ in 3D thật ra đã hơn 20 năm tuổi và các nhà khoa học bắt đầu nghĩ đến những công nghệ mới tiên tiến hơn. Đó có thể là sẽ là “in 4D”, một khái niệm mới mẻ và hấp dẫn vừa được Skylar Tibbits – chuyên gia đến từ phòng thí nghiệm của MIT – trình bày tại TED Talks. Ý tưởng công nghệ này là kết quả hợp tác giữa phòng thí nghiệm MIT, nhóm nghiên cứu vật liệu nano tại Autodesk và một trong những công ty in 3D lớn nhất – Stratasys.
Trong buổi diễn thuyết tại TED Talks, Tibbits đã trình diễn một số thành quả lý thú của công nghệ in 4D. Hãy tưởng tượng một đoạn cao su thẳng đơn giản, không khác gì sản phẩm của một máy in 3D bình thường. Kỳ diệu ở chỗ, nếu mang nhúng vào nước, đoạn dây thẳng sẽ tự động từ từ gấp thành hình khối lập phương. Hoặc tung một đoạn dây bằng chất dẻo khác lên không trung, khi rơi xuống, nó tự uốn thành hình xoắn tương tự cấu trúc protein. Với một thí nghiệm khác, Tibbits cho vài mảnh nhỏ vật liệu vào bình thủy tinh và lắc đều. Sau một thời gian, các mảnh tự lắp ghép với nhau thành hình cầu hoàn hảo. Trong tất cả thí nghiệm, các quá trình biến đổi hình dạng, ráp nối đều diễn ra hoàn toàn tự động và chính xác! Đó chính là hình ảnh minh họa sống động về công nghệ in 4D.
Không còn bó buộc trong những khuôn khổ cũ, cuộc cách mạng của máy in 3D đã tạo bệ phóng để thế giới in ấn tự do thay đổi mạnh mẽ. Và sau in 3D, in 4D chính là điều mà chúng ta đang chờ đợi.
 Skylar Tibbits trình bày ý tưởng in 4D tại Ted Talks. |  Đoạn cao su tự gấp thành hình xoắn của protein. |
In 4D là gì?
Cái tên “in 4D” dễ làm người ta thắc mắc.
In 3D và vật thể 3D là những khái niệm dễ hiểu. Máy in bình thường làm việc với 2 chiều (chiều dài và chiều rộng), như vậy máy in 3D tạo ra vật thể có thêm chiều thứ 3, tức chiều cao. Còn in 4D tạo ra vật thể như thế nào? Liệu chiều thứ 4 có phải là một chiều không gian huyền bí nào đó mà mắt thường không nhìn thấy được?
Thực ra, theo Skylar Tibbits định nghĩa: in 4D là công nghệ dựa trên nền tảng in 3D, nhưng thêm vào một khả năng mới: “programmable materials that build themselves" – tạm dịch là“vật liệu có thể lập trình để tự lắp ráp”.
Nếu máy in 3D in chồng từng lớp vật liệu thành khối để tạo vật thể 3 chiều thì in 4D cũng sử dụng kỹ thuật chồng lớp này. Nhưng thay vì tạo ra vật thể 3D “tĩnh”, sản phẩm của máy in 4D là những mô hình “thông minh” được lập trình để có thể tự biến đổi và lắp ráp thành nhiều hình dạng theo thiết kế khác nhau.
Nói một cách khác, in 4D chính là “phiên bản mới” của in 3D, với chiều thứ 4 chính là khả năng “tự lắp ráp”. Hoặc cũng có thể hiểu theo một cách khác, chiều thứ 4 ở đây là “thời gian” tăng thêm để hoàn thiện hình dạng vật thể.
Sản phẩm của công nghệ in 4D là một tập hợp các đối tượng có khả năng tự thay đổi hình dạng, di chuyển, kết hợp với nhau khi gặp phải năng lượng kích hoạt từ môi trường bên ngoài. Năng lượng này có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau: nhiệt, điện, ánh sáng, âm thanh, sự rung động… hoặc như thí nghiệm mà Tibbits trình diễn tại TED Talks – nhúng nước.
Tất cả các nguồn năng lượng tiềm năng để kích hoạt đối tượng 4D rất phổ biến, có thể tìm thấy cả trong không gian nên phạm vi ứng dụng công nghệ này hầu như không giới hạn.
Một trong những thí nghiệm của Tibbits: nhờ từ tính sinh ra khi bị lắc, các đơn vị hình học tiếp xúc với nhau và tự động lắp ráp thành cấu hình chính xác (hình cầu).
Vật chất tự xây dựng nên chính mình (Things that makes themselve)
Công nghệ in 4D ra đời từ ý tưởng “nương nhờ vào tự nhiên”. Trong một cuộc phỏng vấn, Tibbits cho biết:
Thiên nhiên có sẵn những năng lực vô cùng kỳ diệu, đó là khả năng phát triển tự nhiên nhưng rất có định hướng. Chẳng hạn, cây cối thường tự động sinh trưởng và uốn mình về phía nhiều ánh sáng để quang hợp tạo ra oxy.
Trong khi đó, con người lại tốn nhiều công sức để loay hoay lắp ráp vật thể thành hình dạng theo ý mình, tạo ra những vật phức tạp bằng những bộ phận phức tạp. Sao không để cho các bộ phận tự động sắp xếp, thay đổi hình dạng và xây dựng thành vật thể tương tự như cách sinh vật phát triển trong thiên nhiên?
Từ đó, ý tưởng về công nghệ in 4D đã hình thành trên nền tảng: tích hợp những đặc tính vốn có của vật liệu thiên nhiên vào một hình dạng nhân tạo có thể lập trình sẵn để tạo ra kiểu vật thể “bán sinh học, bán tổng hợp”.
Bí quyết tạo nên khả năng “tự lắp ráp” ở đây chính là kết hợp công nghệ in 3D với các vật liệu thông minh có khả năng thay đổi theo thời gian.
• Một quy trình in 4D bắt đầu bằng việc chọn loại vật liệu thích hợp mà ta có thể biết được phản ứng của chúng khi tiếp xúc với các nguồn năng lượng. Ví dụ như một loại nhựa tổng hợp có khả năng hấp thụ nước. Khi bị nhúng ngập trong nước, loại nhựa này sẽ nở rộng làm cấu trúc vật thể có thể xoắn vặn hoặc uốn cong.
• Bước thứ 2 là thiết kế trên máy tính mô hình vật thể 3D cấu thành từ nhiều phần khác nhau bằng vật liệu đó sao cho đạt mục tiêu mong muốn. Quá trình này còn gọi là “lập trình vật chất” (matter programming). VD: thiết kế một vật thể 3D hình sợi gồm nhiều đoạn nhỏ nối với nhau, sao cho khi chịu tác động của năng lượng, chúng sẽ gấp khúc lại theo một góc độ quy định.
Thiết kế mô hình vật thể trên máy tính.
• Bước 3: “in” các bộ phận của vật thể bằng kỹ thuật chồng lớp như in 3D và dùng năng lượng kích hoạt quá trình tự lắp ráp
Đoạn cao su thẳng tự gấp khúc thành hình khối lập phương khi cho vào nước.
Một trong những yếu tố quan trọng là phải lập trình máy in 3D để tạo ra các đơn vị hình học có mức độ phản ứng với năng lượng kích thích khác nhau. Nghĩa là một số phần trong cấu trúc vật thể sẽ biến đổi trong khi các bộ phận còn lại vẫn giữ nguyên hình dạng. Trong thí nghiệm minh họa của Tibbits, chỉ một số đoạn trên đường thẳng uống cong, các phần khác vẫn thẳng để tạo thành hình lập phương.
Như vậy, với công nghệ in 4D, vật thể tạo ra có cấu trúc đơn giản nhưng có thể gắn kết, chuyển đổi thành các hệ thống phức tạp và đa chức năng.
Theo nhóm nghiên cứu, mục tiêu của công nghệ này không phải là thay thế vai trò của con người trong công nghệ lắp ráp, mà là thông qua lập trình hành vi, giúp tăng cường hiệu quả sản xuất bằng khả năng tự sửa chữa của vật thể. In 4D không tạo ra những cỗ máy làm thay con người, thay vào đó là loại vật liệu được lập trình để tự xây dựng bản thân.
Cùng với sự ra đời của cát thông minh (Smart sand), công nghệ in 4D cũng cho thấy sự lên ngôi của kỹ thuật “tự tháo ráp” trong một tương lai không xa. Tibbits nhấn mạnh, in 4D sẽ mở ra hướng đi mới với những thiết kế sáng tạo có khả năng tự sao chép, lắp ráp và sửa chữa.
Kỷ nguyên của sản phẩm tự lắp ráp
Khía cạnh thú vị nhất của công nghệ này là hiện thực hóa những việc có vẻ như “khoa học viễn tưởng”. Chỉ cần thêm ánh sáng, nước, hoặc nhiệt… và vật thể tự tạo ra chính mình trên cơ sở lập trình sẵn. Ban đầu, nhóm nghiên cứu dự định sẽ cho ra đời những đồ nội thất tự lắp ráp. Tương lai, hy vọng thế giới sẽ “mãn nhãn” với nhiều ứng dụng tinh xảo khác của công nghệ in 4D như: bao bì tự bọc, quần jean tự vá khi rách, tòa nhà tự sửa chữa, ống dẫn nước tự nở rộng tùy lưu lượng nước đi qua hoặc tự uốn cong để truyền nước mà không cần máy bơm…
Xa hơn là những phòng thí nghiệm tự xây dưới đáy biển, trạm nghiên cứu trong không gian, thậm chí là một tàu vũ trụ tự tạo hình mà không cần phi hành gia phải “thân chinh” ra lắp ráp. Sản phẩm in 4D trong tương lai còn có thể ứng dụng ngay trong cơ thể người, chẳng hạn một bộ phận cực nhỏ đưa vào cơ thể, sau đó phình to và định hình dưới tác dụng của sóng siêu âm.
Nếu so sánh, có thể nói in 3D là công nghệ tạo ra vật thể “tĩnh” từ một bản vẽ. Trong khi đó, in 4D đề cập đến một tập hợp các thành phần 3D có khả năng lắp ráp với nhau để tạo thành cấu trúc phức tạp và linh hoạt hơn. In 4D xuất hiện không có nghĩa là công nghệ in 3D đã lỗi thời. Thực tế, đây là cuộc “bắt tay” giữa hai kỹ thuật để tạo ra một công nghệ mới hoàn hảo và tròn vẹn. In 3D tạo ra vật thể và in 4D làm cho chúng hoạt động, đó là sự bổ sung lẫn nhau để cùng đạt đến tầm cao mới.
Sau in 4D, các chuyên gia khẳng định còn nhiều công nghệ “n” D nữa đang nối đuôi nhau chuẩn bị ra đời. Có lẽ chẳng mấy chốc thế giới sẽ được chứng kiến công nghệ in 5D, 6D… thậm chí là 11D…?.
 Một máy in 4D dùng năng lượng kích hoạt là nước |
Đăng Hưng, STINFO số 5/2013
EmoticonEmoticon