Vooruitgang op het gebied van zachte robotica, draagbare technologieën en mens/machine-interfaces vereisen een nieuwe klasse van rekbare materialen die adaptief van vorm kunnen veranderen, terwijl ze alleen op draagbare elektronica kunnen vertrouwen. Onderzoekers van de Carnegie Mellon University hebben zo'n materiaal ontwikkeld dat een unieke combinatie van hoge elektrische en thermische geleidbaarheid vertoont met bedieningsmogelijkheden die anders zijn dan alle andere zachte composieten.

In bevindingen gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences deze week, de onderzoekers rapporteren over dit intelligente nieuwe materiaal dat zijn vorm kan aanpassen aan zijn omgeving. Het papier is getiteld "Een multifunctioneel vormveranderend elastomeer met vloeibare metalen insluitsels."

"Het is niet alleen thermisch en elektrisch geleidend, het is ook intelligent, " zei Carmel Majidi, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde die het Soft Machines Lab bij Carnegie Mellon leidt. "Net zoals een mens terugdeinst wanneer hij iets heet of scherps aanraakt, de materiële zintuigen, processen, en reageert op zijn omgeving zonder externe hardware. Omdat het neuraal-achtige elektrische paden heeft, het is een stap dichter bij kunstmatig zenuwweefsel."

Majidi is een pionier in het ontwikkelen van nieuwe klassen materialen voor gebruik in de techniek van zachte materie en zachte robotica. Zijn onderzoeksteam heeft eerder geavanceerde materiaalarchitecturen gemaakt met behulp van vervormbare vloeibare metalen micro- en nanodruppeltjes gallium indium. Dit is de eerste keer dat zijn lab deze techniek combineert met vloeibare kristalelastomeren (LCE's), een soort vormveranderend rubber. Majidi en zijn onderzoeksteam werkten samen met LCE-expert Taylor Ware, een professor in bio-engineering aan de Universiteit van Texas, Dallas, en zijn afgestudeerde student, Cedric Ambulo.

LCE's zijn als vloeibare kristallen die worden gebruikt in platte beeldschermen, maar aan elkaar gekoppeld als rubber. Omdat ze bewegen als ze worden blootgesteld aan hitte, ze bevatten veelbelovende functionaliteit als een vormveranderend materiaal; helaas, ze missen de elektrische en thermische geleidbaarheid die nodig is voor activering van het vormgeheugen. Hoewel stijve vulstoffen kunnen worden opgenomen om de geleidbaarheid te verbeteren, deze zorgen ervoor dat de mechanische eigenschappen en de vormveranderende mogelijkheden van LCE's afnemen. De onderzoekers overwonnen deze uitdagingen door het vloeibare metaal gallium indium te combineren met de LCE's om een ​​zacht, rekbaar composiet met ongekende multifunctionaliteit.

Een ander belangrijk kenmerk van het materiaal is zijn veerkracht en reactie op aanzienlijke schade.

"We hebben zowel elektrische zelfherstellende als schadedetectiemogelijkheden waargenomen voor deze composiet, maar de schadedetectie ging een stap verder dan eerdere vloeibare metaalcomposieten, " legde Michael Ford uit, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het Soft Machines Lab en de hoofdauteur van de studie. "Omdat de schade nieuwe geleidende sporen creëert die vormverandering kunnen activeren, het composiet reageert op een unieke manier op schade."

De hoge elektrische geleidbaarheid van het materiaal zorgt ervoor dat de composiet kan communiceren met traditionele elektronica, dynamisch reageren op aanraking, en omkeerbaar van vorm veranderen. Het kan worden gebruikt in elke toepassing die rekbare elektronica vereist:gezondheidszorg, kleding, draagbare computers, hulpapparatuur en robots, en ruimtereizen.