Zachte robots en biomedische implantaten die zichzelf op verzoek opnieuw configureren, staan ​​dichter bij de realiteit met een nieuwe manier om vormveranderende materialen te printen.

Rafael Verduzco en afgestudeerde student Morgan Barnes van Rice's Brown School of Engineering hebben een methode ontwikkeld om objecten af ​​te drukken die kunnen worden gemanipuleerd om alternatieve vormen aan te nemen wanneer ze worden blootgesteld aan temperatuurschommelingen. elektrische stroom of spanning.

De onderzoekers beschouwen dit als reactief 4D-printen. Hun werk verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS toegepaste materialen en interfaces .

Ze rapporteerden voor het eerst hun vermogen om morphing-structuren in een mal te maken in 2018. Maar met dezelfde chemie voor 3D-printen beperkte structuren tot vormen die in hetzelfde vlak zaten. Dat betekende dat er geen hobbels of andere complexe krommingen konden worden geprogrammeerd als de alternatieve vorm.

Het overwinnen van die beperking om het printproces los te koppelen van vormgeving is een belangrijke stap in de richting van meer bruikbare materialen, zei Verduzco.

"Deze materialen, eenmaal gefabriceerd, zal autonoom van vorm veranderen, " Zei Verduzco. "We hadden een methode nodig om deze vormverandering te beheersen en te definiëren. Ons simpele idee was om meerdere reacties achter elkaar te gebruiken om het materiaal af te drukken en vervolgens te dicteren hoe het van vorm zou veranderen. In plaats van te proberen dit allemaal in één stap te doen, onze aanpak geeft meer flexibiliteit bij het beheersen van de begin- en eindvormen en stelt ons ook in staat om complexe structuren te printen."

De uitdaging van het lab was om een ​​vloeibaar-kristalpolymeer "inkt" te maken die elkaar uitsluitende sets van chemische verbindingen tussen moleculen bevat. Men stelt de originele gedrukte vorm vast, en de andere kan worden ingesteld door het bedrukte en gedroogde materiaal fysiek te manipuleren. Het genezen van de alternatieve vorm onder ultraviolet licht vergrendelt die verbindingen.

Zodra de twee geprogrammeerde formulieren zijn ingesteld, het materiaal kan dan heen en weer morphen wanneer, bijvoorbeeld, het wordt verwarmd of gekoeld.

De onderzoekers moesten een polymeermengsel vinden dat in een katalysatorbad kon worden geprint en toch zijn oorspronkelijke geprogrammeerde vorm kon behouden.

"Er waren veel parameters die we moesten optimaliseren - van de gebruikte oplosmiddelen en katalysatoren, tot mate van zwelling, en inktformule - om de inkt snel genoeg te laten stollen om af te drukken zonder de gewenste uiteindelijke vormactivering te belemmeren, ' zei Barnes.

Een resterende beperking van het proces is de mogelijkheid om niet-ondersteunde structuren af ​​te drukken, zoals kolommen. Om dit te doen zou een oplossing nodig zijn die net genoeg geleert om zichzelf te ondersteunen tijdens het printen, ze zei. Door dat vermogen te verwerven, kunnen onderzoekers veel complexere combinaties van vormen afdrukken.

"Toekomstig werk zal de printformule verder optimaliseren en gebruikmaken van scaffold-ondersteunde printtechnieken om actuatoren te creëren die overgaan tussen twee verschillende complexe vormen, "Zei Barnes. "Dit opent de deur naar het printen van zachte robotica die kan zwemmen als een kwal, spring als een krekel of vervoer vloeistoffen zoals het hart."