Onderzoekers van Carnegie Mellon University's College of Engineering hebben een open-source, in de handel verkrijgbare vezelextruder gemaakt om toekomstig onderzoek met hydrogels en zachte robotica ten goede te komen.

Zoals hun naam doet vermoeden, beginnen hydrogels in vloeibare vorm als monomeren. Deze stroperige vloeistof, die kan worden gemaakt van synthetische of natuurlijke materialen van polyester tot natriumalginaat, kan worden gebruikt als inkt voor 3D-printen. De inkt wordt eerst in een injectiespuit geladen, vervolgens door de naald gepompt als een dun filament en stolt na 3D-printen om een ​​multidimensionale structuur te vormen, op dezelfde manier dat Jell-O eerst als een vloeistof wordt gemengd voordat het verandert in een zachte, buigzaam dessert. Wanneer hydrogels in de juiste omgeving worden geplaatst, verknopen de monomeren in de vloeistof om polymeren te vormen, die de hydrogel vorm geven en water laten vasthouden.

Je zou je kunnen voorstellen dat deze soepele materialen ook kwetsbaar zijn - en dat is een nadeel van het werken met hydrogels voor robottoepassingen. Om dit probleem op te lossen en ervoor te zorgen dat hydrogels in een grotere verscheidenheid aan taken en ruwe omgevingen kunnen worden gebruikt, heeft Wenhuan Sun, een Ph.D. student werktuigbouwkunde, mede geadviseerd door Victoria Webster-Wood en Adam Feinberg, ontwierp een continue vezelextruder, een apparaat dat de hydrogels versterkt, zodat ze niet gemakkelijk uit elkaar vallen of hun vorm verliezen wanneer ze worden geladen. Feinberg, een professor in biomedische technologie en materiaalkunde en techniek, maakte eerder de 3D-printer waarop de vezelextruders voor het eerst werden getest.

Het inbedden van vezels in hydrogels tijdens het printproces versterkt hun mechanische eigenschappen, zodat ze niet zo kwetsbaar zijn. Het creëren van een open-source, in de handel verkrijgbare vezelextruder zal toekomstig onderzoek met hydrogels ten goede komen. Het extruderontwerp van het team is niet alleen relatief goedkoop voor ongeveer $ 53, maar het is ook compatibel met veel 3D-printapparaten voor thuisgebruik en is met succes getest in hydrogels die zijn ingebed met zowel synthetische als natuurlijke vezels, waaronder zijde en collageen. De paper van het team, gepubliceerd in HardwareX , dient bijna als een formule voor andere onderzoekers die willen experimenteren met hydrogel 3D-printen met ingebedde vezels.

"Dit artikel beschrijft het hele proces van hoe we de fiber print hub hebben gebouwd, zodat andere mensen gewoon naar ons werk kunnen verwijzen en vervolgens hun eigen werk kunnen bouwen zonder aanvullende instructies", zegt Sun over hoe hun onderzoek de robotica-gemeenschap dient.

Wanneer hydrogels hun structurele integriteit behouden, kunnen ze op een grotere verscheidenheid aan situaties worden toegepast. Hun unieke eigenschappen, zoals flexibiliteit en zachtheid, maken ze tot ideale hulpmiddelen voor medicijnafgifte en weefselmanipulatie, maar fysieke stevigheid opent de deur naar bredere taken in zachte robotica. Omdat de continue vezelextruders goed werken met natuurlijke materialen zoals collageen en alginaat, zijn versterkte hydrogels klaar om een ​​aanpasbaar materiaal te worden voor zachte robots, en ze zijn ook milieuvriendelijk.

"We zijn erg geïnteresseerd in hoe we biologisch afbreekbare materialen in robots kunnen gebruiken", zegt Webster-Wood, een assistent-professor werktuigbouwkunde die de Biohybrid and Organic Robotics Group oprichtte. "Deze op planten gebaseerde hydrogels zijn een heel interessante richting, omdat we de materialen voor de robots in principe kunnen verbouwen en hernieuwbaar maken." + Verder verkennen

Nieuwe natuurlijke hydrogelinkten voor 3D-printen met digitale lichtverwerking