Elke complexe menselijke tool, van de eerste speer tot de nieuwste smartphone, heeft meerdere materialen ingeklemd, gebonden, genaaid, aan elkaar gelijmd of gesoldeerd. Maar de volgende generatie gereedschappen, van autonome squishy robots tot flexibele wearables, zacht zal zijn. Het combineren van meerdere zachte materialen tot een complexe machine vereist een geheel nieuwe gereedschapskist. er bestaat niet zoiets als een zachte schroef.

De huidige methoden om zachte materialen te combineren zijn beperkt, vertrouwen op lijmen of oppervlaktebehandelingen die het productieproces kunnen beperken. Bijvoorbeeld, het heeft weinig zin om tijdens een 3D-printsessie lijm aan te brengen of een oppervlaktebehandeling uit te voeren voordat elke druppel inkt eraf valt. Maar nu, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een nieuwe methode ontwikkeld om meerdere zachte materialen chemisch te binden, onafhankelijk van het productieproces. In principe, de methode kan worden toegepast in alle productieprocessen, inclusief maar 3D printen en coating. Deze techniek opent de deur naar het vervaardigen van complexere zachte machines.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Deze techniek stelt ons in staat om verschillende hydrogels en elastomeren te binden in verschillende productieprocessen zonder de eigenschappen van de materialen op te offeren, " zei Qihan Liu, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel. "We hopen dat dit de weg vrijmaakt voor snelle prototyping en massaproductie van biomimetische zachte apparaten voor de gezondheidszorg, mode en augmented reality."

De onderzoekers richtten zich op de twee meest gebruikte bouwstenen voor soft devices, hydrogels (geleiders) en elastomeren (isolatoren). Om de materialen te combineren, het team mengde chemische koppelingsmiddelen in de voorlopers van zowel hydrogels als elastomeren. De koppelingsmiddelen zien eruit als moleculaire handen met kleine staarten. Terwijl de voorlopers materiële netwerken vormen, de staart van de koppelingsmiddelen hecht zich aan de polymeernetwerken, terwijl de hand open blijft. Wanneer de hydrogel en het elastomeer in het productieproces worden gecombineerd, de vrije handen reiken over de materiële grens en schudden, het creëren van chemische bindingen tussen de twee materialen. De timing van de "handdruk" kan worden afgestemd door meerdere factoren, zoals temperatuur en katalysatoren, waardoor verschillende hoeveelheden productietijd mogelijk zijn voordat de hechting plaatsvindt.

De onderzoekers toonden aan dat de methode twee stukken gegoten materialen zoals lijm kan hechten, maar zonder een lijmlaag op het grensvlak aan te brengen. De methode maakt het ook mogelijk om verschillende zachte materialen in verschillende volgorden te coaten en te bedrukken. In alle gevallen, de hydrogel en het elastomeer creëerden een sterke, langdurige chemische binding.

"De productie van zachte apparaten omvat verschillende manieren om hydrogels en elastomeren te integreren, inclusief directe bevestiging, gieten, coating, en afdrukken, " zei Canhui Yang, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel. "Terwijl elke huidige methode slechts twee of drie fabricagemethoden mogelijk maakt, onze nieuwe techniek is veelzijdig en maakt alle verschillende manieren mogelijk om materialen te integreren."

De onderzoekers toonden ook aan dat hydrogels - die zoals de naam al aangeeft meestal water zijn - bij hoge temperaturen hittebestendig kunnen worden gemaakt met behulp van een gebonden coating, uitbreiding van het temperatuurbereik dat op hydrogel gebaseerde inrichting kan worden gebruikt. Bijvoorbeeld, een op hydrogel gebaseerd draagbaar apparaat kan nu worden gestreken zonder te koken.

"Verscheidene recente bevindingen hebben aangetoond dat hydrogels elektrische apparaten kunnen maken die veel verder gaan dan eerder gedacht, " zei Zhigang Suo, Allen E. en Marilyn M. Puckett Professor in Mechanics and Materials bij SEAS en senior auteur van de paper. "Deze apparaten bootsen de functies van spieren na, huid, en axon. Zoals geïntegreerde schakelingen in micro-elektronica, deze apparaten functioneren door ongelijke materialen te integreren. Dit werk zorgt voor een sterke hechting tussen zachte materialen in verschillende productieprocessen. Het is denkbaar dat geïntegreerde zachte materialen spandex-achtige touchpads en displays mogelijk maken die men kan dragen, wassen, en ijzer."