Alsidig ny materialefamilie kunne bygge realistiske proteser, futuristiske hærplatforme

Naturens plan for det menneskelige lem er en omhyggeligt lagdelt struktur med stiv knogle indpakket i lag af forskelligt blødt væv, som muskler og hud, alle bundet til hinanden perfekt. At opnå denne form for sofistikering ved at bruge syntetiske materialer til at bygge biologisk inspirerede robotdele eller multikomponent, komplekse maskiner har været en teknisk udfordring.

Ved at justere kemien af ​​en enkelt polymer, forskere ved Texas A&M University og U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory har skabt en hel familie af syntetiske materialer, der spænder i tekstur fra ultrablød til ekstremt stiv. Forskerne sagde, at deres materialer er 3D-printbare, selvhelbredende, genanvendelige, og de klæber naturligt til hinanden i luften eller under vandet.

Deres resultater er beskrevet i maj-udgaven af ​​tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

"Vi har lavet en spændende gruppe af materialer, hvis egenskaber kan finjusteres til at få enten blødheden af ​​gummi eller styrken af ​​bærende plastik, " sagde Dr. Svetlana Sukhishvili, professor ved Institut for Materialevidenskab og en tilsvarende forfatter på undersøgelsen. "Deres andre ønskelige egenskaber, som 3-D-printbarhed og evnen til selvhelbredelse inden for få sekunder, gør dem velegnede til ikke kun mere realistiske proteser og blød robotik, men også ideel til brede militære applikationer såsom agile platforme til luftfartøjer og futuristiske selvhelbredende flyvinger."

Syntetiske polymerer er opbygget af lange rækker af gentagne molekylære motiver, som perler på en kæde. I elastomere polymerer, eller elastomerer, disse lange kæder er let tværbundne, giver materialerne en gummiagtig kvalitet. Imidlertid, disse tværbindinger kan også anvendes til at gøre elastomererne mere stive ved at øge antallet af tværbindinger.

Selvom tidligere undersøgelser har manipuleret tætheden af ​​tværbindinger for at gøre elastomerer stivere, den resulterende ændring i mekanisk styrke var generelt permanent.

"Tværbindinger er som sømme i et stykke klud, jo flere sting du har, jo stivere bliver materialet og omvendt, " sagde Sukhishvili. "Men i stedet for at disse 'sting' skal være permanente, vi ønskede at opnå dynamisk og reversibel tværbinding, så vi kan skabe materialer, der er genanvendelige."

Så, forskerne fokuserede deres opmærksomhed på de molekyler, der var involveret i tværbindingen. Først, de valgte en moderpolymer, kaldet præpolymer, og derefter kemisk besat disse præpolymer kæder med to typer små tværbindingsmolekyler - furan og maleimid. Ved at øge antallet af disse molekyler i præpolymeren, de fandt ud af, at de kunne skabe materialer, der var stivere. På denne måde det hårdeste materiale de skabte var 1, 000 gange stærkere end den blødeste.

Imidlertid, disse tværbindinger er også reversible. Furan og maleimid deltager i en type reversibel kemisk binding. Enkelt sagt, i denne reaktion, furan- og maleimidpar kan "klikke" og "afklikke" afhængigt af temperaturen. Når temperaturen er høj nok, disse molekyler kommer fra hinanden fra polymerkæderne og materialerne blødgøres. Ved stuetemperatur, materialerne hærder, da molekylerne hurtigt klikker sammen igen, igen danner tværbindinger. Dermed, hvis der er revner i disse materialer ved omgivende temperaturer, forskerne viste, at furan og maleimid automatisk genklikker, healing af hullet inden for få sekunder.

Forskerne bemærkede, at de temperaturer, ved hvilke tværbindingsmidlerne adskilles eller fjernes fra præpolymerkæderne, er relativt de samme for forskellige stivhedsniveauer. Denne egenskab er nyttig til 3D-print med disse materialer. Uanset om de er bløde eller hårde, materialerne kan smeltes ved samme temperatur og derefter bruges som trykfarve.

"Ved at ændre hardware og behandlingsparametre i en standard 3-D printer, vi var i stand til at bruge vores materialer til at udskrive komplekse 3D-objekter lag for lag, " sagde Dr. Frank Gardea, forskningsingeniør i United States Army Research Laboratory og en tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Den unikke fordel ved vores materialer er, at de lag, der udgør 3D-delen, kan have vidt forskellige stivheder."

Når 3D-delen afkøles til stuetemperatur, han tilføjede, at de forskellige lag forenes sømløst, udelukker behovet for hærdning eller anden kemisk behandling. Følgelig, de 3-D-printede dele kan nemt smeltes ved hjælp af høj varme og derefter genbruges som trykfarve. Forskerne bemærkede også, at deres materialer er omprogrammerbare. Med andre ord, efter at være blevet sat i én form, de kan få dem til at skifte til en anden form ved hjælp af bare varme.

I fremtiden, forskerne planlægger at øge funktionaliteten af ​​deres nye materialer ved at forstærke dets mangefacetterede egenskaber, der er skitseret i den aktuelle undersøgelse.

"Lige nu, vi kan nemt opnå omkring 80 % selvhelbredelse ved stuetemperatur, men vi vil gerne nå 100%. Også, vi ønsker at få vores materialer til at reagere på andre stimuli end temperatur, som lys, sagde Gardea. Længere nede ad vejen, vi vil gerne udforske at introducere noget intelligens på lavt niveau, så disse materialer ved, at de kan tilpasse sig autonomt uden at have brug for en bruger til at starte processen."