В лаборатории Льюиса использовалась технология ротационной многоматериальной 3D-печати для создания нитей, имитирующих движение биологических мышц.
Исследователи разработали стратегию 3D-печати для создания программируемых искусственных мышц.
Исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Гарвардского университета и Института Висса черпали вдохновение в тонких, закручивающихся нитях, встречающихся в природе, таких как виноградные лозы и хоботы слонов.
Это позволило мягким синтетическим материалам совершать сложные движения — такие как изгибание, скручивание и сжатие — в ответ на изменения температуры.
Ротационная многокомпонентная 3D-печать
Стандартная 3D-печать — это линейный процесс. Однако лаборатория Льюиса использовала технологию, называемую ротационной многоматериальной 3D-печатью, для создания нитей, имитирующих движение биологических мышц.
Интересно, что система оснащена вращающимся соплом, которое экструдирует и прокачивает через эту вращающуюся головку два разных материала. Один из них «активный», а другой «пассивный», и оба могут создавать спиральную внутреннюю структуру.
Активный материал, жидкокристаллический эластомер (ЖКЭ), представляет собой ключевой полимер, который физически сжимается при нагревании. С другой стороны, пассивный материал (мягкий эластомер) остается неподвижным.
При нагревании готовой нити внутреннее противостояние между сжимающимся жидкокристаллическим эластомером и жестким пассивным эластомером заставляет всю нить изгибаться, скручиваться или сворачиваться.
Этот процесс создает спиральную структуру, которая определяет, как будет изгибаться или скручиваться нить; при нагревании активный материал сжимается, преодолевая сопротивление пассивного направляющего элемента, что приводит к заранее определенному, сложному изменению формы без необходимости ручной сборки.
«В результате получается нить, естественная кривизна и скручивание которой при активации запрограммированы заранее во время печати — не требуется сборка нескольких слоев или механическая постобработка. Скорость вращения во время печати оказывает сильное влияние на то, как отдельные нити меняют свою форму при нагревании», — отметила команда.
Применение в мягкой робототехнике
Совместные усилия с экспертами в области механики и молекулярной ориентации позволили подтвердить и предсказать поведение этих материалов с помощью передовых методов рентгеновского рассеяния.
После внедрения технологии программирования отдельных нитей, эти волокна стали строительными блоками для сложных, архитектурных структур, таких как синусоидальные нити.
Примечательно, что исследователи разработали функциональные прототипы, такие как термочувствительные активные фильтры и многообъектные захваты.
Движение этих структур определяется положением активного эластомера: размещение его на внешней кривой позволяет решетке расширяться и раскрываться, а размещение на внутренней кривой вызывает ее сжатие и сцепление.
Эта программируемая архитектура позволяет перейти от простых нитей к сложным устройствам, способным точно захватывать частицы или манипулировать несколькими объектами одновременно.
После этой первоначальной разработки усилия по масштабированию в настоящее время сосредоточены на миниатюризации — с помощью специальных сопел и чернил уже можно получать нити толщиной всего 100 микрон.
В будущих разработках планируется еще больше уменьшить этот размер, одновременно интегрируя многофункциональные компоненты.
«Что касается масштабируемости, в будущем можно будет создавать более сложные сопла, которые будут интегрироваться с другими материалами — например, иметь канал из жидкого металла для обеспечения привода или интегрировать другие функции», — сказал аспирант и соавтор Джексон Уилт.
Хотя жидкокристаллические эластомеры все еще находятся на ранних стадиях промышленного внедрения, ожидается, что эта новая технология печати позволит использовать искусственные мышцы в практических целях, таких как мягкая робототехника, гашение энергии и биомедицина.
Эта технология может позволить создавать перестраиваемые захваты для точной манипуляции несколькими объектами и клапаны с регулируемой температурой для управления потоками жидкости. Наиболее примечательно то, что потенциал инъекционных самоблокирующихся нитей открывает многообещающие возможности для решения биомедицинских задач.
Результаты исследования были опубликованы в журнале «Труды Национальной академии наук».
Sourse: interestingengineering.com
