Geschraapte knieën en ellebogen zijn lastige plaatsen om een ​​verband stevig aan te brengen. Vaak, de lijm zal met slechts een paar bochten van het aangetaste gewricht van de huid loskomen.

Nu hebben MIT-ingenieurs een meer plakkerige oplossing bedacht, in de vorm van een dunne, lichtgewicht, rubberachtige film. De zelfklevende film kan aan sterk vervormbare delen van het lichaam blijven plakken, zoals de knie en elleboog, en behoudt zijn grip zelfs na 100 buigcycli. De sleutel tot de plakkerigheid van de film is een patroon van spleten die de onderzoekers in de film hebben gesneden, vergelijkbaar met de sneden gemaakt in een kunstvorm voor het vouwen van papier die bekend staat als kirigami.

De onderzoekers bevestigden de "kirigami-film" aan de knie van een vrijwilliger en ontdekten dat elke keer dat ze haar knie boog, de spleten van de film openden zich in het midden, in het gebied van de knie met de meest uitgesproken buiging, terwijl de spleten aan de randen gesloten bleven, waardoor de film aan de huid gehecht blijft. De kirigami-sneden geven de film niet alleen rek, maar ook betere grip:de sneden die opengaan, laten spanning los die anders de hele film van de huid zou laten loskomen.

Om mogelijke toepassingen te demonstreren, de groep maakte een zelfklevend verband met kirigami-patroon, evenals een warmtekussen bestaande uit een kirigami-film die is voorzien van verwarmingsdraden. Met de toepassing van een 3-volt voeding, de pad handhaaft een constante temperatuur van 100 graden Fahrenheit. De groep heeft ook een draagbare elektronische film ontwikkeld die is uitgerust met lichtgevende diodes. Alle drie de films kunnen functioneren en aan de huid blijven plakken, zelfs na 100 kniebuigingen.

Ruike Zhao, een postdoc bij MIT's Department of Mechanical Engineering, zegt dat lijmen met kirigami-patroon een hele reeks producten mogelijk maken, van alledaagse medische bandages tot draagbare en zachte elektronica.

"Momenteel op het gebied van zachte elektronica, mensen hechten meestal apparaten aan regio's met kleine vervormingen, maar niet in gebieden met grote vervormingen zoals gewrichtsgebieden, omdat ze zich zouden losmaken, " zegt Ruike. "Ik denk dat kirigami-film een ​​oplossing is voor dit probleem dat vaak wordt aangetroffen in kleefstoffen en zachte elektronica."

Ruike is de hoofdauteur van een artikel dat deze maand online is gepubliceerd in het tijdschrift Zachte materie . Haar co-auteurs zijn afgestudeerde studenten Shaoting Lin en Hyunwoo Yuk, samen met Xuanhe Zhao, de Noyce Career Development Professor in MIT's Department of Mechanical Engineering.

Verkleving van een kunstvorm

In augustus 2016, Ruike en haar collega's werden benaderd door vertegenwoordigers van een medisch toeleveringsbedrijf in China, die de groep vroeg om een ​​verbeterde versie te ontwikkelen van een populair pijnstillend verband dat het bedrijf momenteel produceert.

"Kleefstoffen zoals deze zwachtels worden in ons dagelijks leven heel vaak gebruikt, maar wanneer u ze probeert te bevestigen op plaatsen die grote, inhomogene buigbeweging, zoals ellebogen en knieën, ze gaan meestal los, " zegt Ruike. "Het is een enorm probleem voor het bedrijf, die ze ons vroegen op te lossen."

Het team beschouwde kirigami als een mogelijke oplossing. Oorspronkelijk een Aziatische volkskunst, kirigami is de praktijk om ingewikkelde patronen in papier te snijden en dit papier te vouwen, net als origami, mooi maken, uitgebreide driedimensionale structuren. Recenter, sommige wetenschappers hebben kirigami onderzocht als een manier om nieuwe, functionele materialen.

"In de meeste gevallen, mensen maken sneden in een structuur om het rekbaar te maken, " zegt Ruike. "Maar wij zijn de eerste groep die vindt, met een systematische mechanismestudie, dat een kirigami-ontwerp de hechting van een materiaal kan verbeteren."

De onderzoekers maakten dunne kirigami-films door een vloeibaar elastomeer te gieten, of rubberoplossing, in 3D-geprinte mallen. Elke mal werd bedrukt met rijen offset-groeven met verschillende tussenruimten, die de onderzoekers vervolgens vulden met de rubberoplossing. Eenmaal uitgehard en uit de vormen getild, de dunne elastomeerlagen waren bezaaid met rijen verschoven spleten. De onderzoekers zeggen dat de film van een breed scala aan materialen kan worden gemaakt, van zachte polymeren tot harde metalen platen.

Ruike bracht een dunne lijmlaag aan, vergelijkbaar met wat wordt toegepast op verbanden, aan elke film voordat u deze aan de knie van een vrijwilliger bevestigt. Ze nam nota van het vermogen van elke film om aan de knie te kleven na herhaaldelijk buigen, vergeleken met een elastomeerfilm die geen kirigami-patronen had. Na slechts één cyclus, het vliegtuig, continue film snel los, overwegende dat de kirigami-film zijn greep hield, zelfs na 100 kniebuigingen.

Een balans in ontwerp

Om erachter te komen waarom kirigami-sneden de kleefeigenschappen van een materiaal verbeteren, de onderzoekers bonden eerst een kirigami-film op een polymeeroppervlak, vervolgens het materiaal aan rektests onderworpen. Ze maten de hoeveelheid rek die een kirigami-film kan ondergaan voordat deze loskomt van het polymeeroppervlak - een meting die ze gebruikten om de kritische "energieafgiftesnelheid van het materiaal" te berekenen. " een hoeveelheid om losmaken te evalueren.

Ze ontdekten dat deze energie-afgiftesnelheid in een enkele film varieerde:wanneer ze de film aan beide uiteinden als een accordeon trokken, de spleten naar het midden vertoonden een hogere energieafgiftesnelheid en waren het eerst open onder minder rek. In tegenstelling tot, de spleten aan beide uiteinden van de film bleven aan het onderliggende oppervlak kleven en bleven gesloten.

Door deze experimenten, Ruike identificeerde drie belangrijke parameters die kirigami-films hun hechtende eigenschappen geven:shear-lag, waarbij afschuifvervorming van film de spanning op andere delen van de film kan verminderen; gedeeltelijke onthechting, waarbij de filmsegmenten rond een open spleet een gedeeltelijke binding aan het onderliggende oppervlak behouden; en inhomogene vervorming, waarin een film zijn algehele hechting kan behouden, zelfs als delen van het onderliggende oppervlak meer kunnen buigen en uitrekken dan andere.

Afhankelijk van de toepassing, Ruike zegt dat onderzoekers de bevindingen van het team kunnen gebruiken als een ontwerpblauwdruk om het beste snijpatroon en de optimale balans van de drie parameters te identificeren. voor een bepaalde toepassing.

"Deze drie parameters zullen helpen bij het ontwerpen van zachte, geavanceerde materialen, " zegt Ruike. "Je kunt altijd andere patronen ontwerpen, net als volkskunst. Er zijn zoveel oplossingen die we kunnen bedenken. Volg gewoon de mechanische richtlijnen voor een geoptimaliseerd ontwerp, en je kunt veel bereiken."

Ruike en haar collega's hebben patent aangevraagd op hun techniek en blijven samenwerken met het medische toeleveringsbedrijf, die momenteel plannen aan het maken is om medicijnpleisters te maken die zijn gemaakt van kirigami-films.

"Ze maken dit pijnstillende kussentje dat behoorlijk populair is in China - zelfs mijn ouders gebruiken het, "zegt Ruike. "Dus het is super spannend."

Het team breidt zich nu uit om andere materialen te onderzoeken waarop kirigami-snitten kunnen worden gemodelleerd.

"De huidige films zijn puur elastomeren, zegt Ruike. "We willen het filmmateriaal veranderen in gels, die medicijnen direct in de huid kunnen verspreiden. Dat is onze volgende stap."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.