In een studie gepubliceerd in Toegepaste materialen vandaag , onderzoekers uit Singapore hebben het grootste assortiment siliconen- en epoxyhybrideharsen ontwikkeld voor het 3D-printen van draagbare apparaten, biomedische apparatuur, en zachte robotica. Het bereik van afstembare functioneel gesorteerde materialen, die meer dan vijf ordes van grootte van elasticiteitsmodulus vertoonde, toonde uitstekende grensvlaktaaiheid, hogere precisie in complexe constructies en betere fabricagecontrole voor de integratie van mechatronische componenten.

Het multidisciplinaire team van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) benadrukte in hun paper het probleem over het potentieel van zachte robotica dat beperkt is in zijn robuustheid en toepasbaarheid. "Siliconen/epoxy hybride harsen met afstembare mechanische en grensvlakeigenschappen voor additieve fabricage van zachte robots."

Bijvoorbeeld, de integratie van mechatronische componenten zoals printplaten (PCB), sensoren, batterijen, pneumatische montage, kabels en pompen, in zachte en samengestelde lichamen blijft een uitdaging, terwijl ontwerpcomplexiteit en fabricagecontrole worden gehinderd door de traditionele vorm- en gietbenaderingen die worden gebruikt voor integratie.

Om deze beperkingen aan te pakken, het team ontwikkelde een nieuwe reeks polymeerhybriden die een breed scala aan mechanische eigenschappen kunnen vertonen, van zeer zacht tot zeer stijf, voor respectievelijk gebruik in zachte robotica en eenvoudigere montage in traditionele harde mechatronische componenten. De polymeerhybriden vertonen een uitstekende taaiheid en chemische compatibiliteit om grote spanningen te weerstaan, en verwerkbaar zijn via direct-inkt schrijven om geavanceerde digitale productie van complexe structuren mogelijk te maken.

Het assortiment nieuwe siliconen-epoxyhybriden was gemaakt van zachte, door platina gekatalyseerde elastomeren en harde epoxyharsen die waren uitgehard door zuuranhydrideverharders. Door te kiezen voor zuuranhydriden in plaats van veelgebruikte verharders op basis van amine, was er een ongekende chemische compatibiliteit tussen siliconen- en epoxyfasen, en maakte ook nauwkeurige afstemming van mechanische en grensvlakkenmerken mogelijk door de composities te variëren.

De resulterende familie van hybriden vertoonde meer dan vijf ordes van grootte van elasticiteitsmodulus, variërend van 22 kPa tot 1,7 GPa, wat waarschijnlijk het grootste bereik is dat is gerapporteerd voor afstembare functioneel gesorteerde materialen. Composieten met een nauwe samenstelling vertonen een uitstekende grensvlaktaaiheid van 0,8 tot 3,0 kJ m ^-2 , waardoor robuuste interfaces tussen zachte lichamen en een breed scala aan traditionele mechatronische componenten mogelijk zijn. De toevoeging van reologische modificatoren - in dit geval laponiet nanoklei - tot inktformuleringen maakten de additieve fabricage van complexe driedimensionale composietstructuren mogelijk (zie afbeelding en video).

De voordelen van deze nieuwe familie van hybriden werden aangetoond aan de hand van vier hoofdvoorbeelden. Eerst, een PCB werd geïntegreerd in een zacht membraan dat meer dan 200% kon worden uitgerekt zonder enige grensvlakschade te vertonen. Tweede, een vingerarticulatie werd met succes gereproduceerd uit anatomische modellen, met robuuste integratie van botachtige, peesachtig, en ligamentachtige structuren. Vervolgens, de structuur en prestaties van versterkte pneumatische aandrijvingen met afstembare axiale vervormingen werden gedetailleerd. Eindelijk, een op vleermuis geïnspireerde vleugelstructuur die in staat is om snelle dynamiek en grote buigvervormingen te ondersteunen, werd gerapporteerd.

De prestaties in deze voorbeelden konden alleen worden bereikt dankzij de geavanceerde fabricagebenadering die de robuuste combinatie van materialen op meerdere schalen en hoge resoluties mogelijk maakte die traditionele giet- of vormbenaderingen niet konden bereiken.

"De bevindingen en het begrip afgeleid van dit werk, op het grensvlak van de chemie, natuurkunde, en techniek, vertegenwoordigen een substantiële bijdrage aan materiaaltechnologie, vooral wanneer toegepast op zachte robotica. Onze geavanceerde fabricagebenaderingen maken robuuste materiaalcombinaties op meerdere schalen en hoge resoluties mogelijk, waardoor nieuwe toepassingen in een breed scala van belangrijke sectoren mogelijk worden, zoals wearables, gezondheidszorg, en meer specifiek zachte robotica, " zei hoofdonderzoeker assistent-professor Pablo Valdivia y Alvarado van het Engineering Product Development-programma van SUTD.