Magnetiske 3-D-printede strukturer kravler, rulle, og hoppe

MIT-ingeniører har skabt bløde, 3-D-printede strukturer, hvis bevægelser kan styres med en magnetbølge, meget gerne marionetter uden strengene.

Menageriet af strukturer, der kan magnetisk manipuleres, inkluderer en glat ring, der rynker, et langt rør, der klemmer sig sammen, et ark der folder sig selv, og en edderkoppelignende "grabber", der kan kravle, rulle, hoppe, og snap sammen hurtigt nok til at fange en afleveringsbold. Den kan endda henvises til at vikle sig om en lille pille og bære den hen over et bord.

Forskerne fremstillede hver struktur af en ny type 3-D-printbar blæk, som de infunderede med små magnetiske partikler. De satte en elektromagnet rundt om dysen på en 3-D printer, hvilket fik de magnetiske partikler til at svinge i en enkelt orientering, da blækket blev ført gennem dysen. Ved at kontrollere den magnetiske orientering af individuelle sektioner i strukturen, forskerne kan producere strukturer og enheder, der næsten øjeblikkeligt kan skifte til indviklede formationer, og endda flytte rundt, da de forskellige sektioner reagerer på et eksternt magnetfelt.

Xuanhe Zhao, Noyce karriereudviklingsprofessor i MIT's afdeling for maskinteknik og afdeling for civil- og miljøteknik, siger, at gruppens teknik kan bruges til at fremstille magnetisk kontrolleret biomedicinsk udstyr.

"Vi tror, ​​at denne teknik inden for biomedicin vil finde lovende anvendelser, " siger Zhao. "F.eks. vi kunne sætte en struktur omkring et blodkar for at kontrollere pumpningen af ​​blod, eller brug en magnet til at guide en enhed gennem mave-tarmkanalen for at tage billeder, udtrække vævsprøver, fjerne en blokering, eller levere visse lægemidler til et bestemt sted. Du kan designe, simulere, og så bare print for at opnå forskellige funktioner."

Zhao og hans kolleger har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Natur . Hans medforfattere inkluderer Yoonho Kim, Hyunwoo Yuk, og Ruike Zhao fra MIT, og Shawn Chester fra New Jersey Institute of Technology.

Et skiftende felt

Holdets magnetisk aktiverede strukturer falder ind under den generelle kategori af blødt aktiverede enheder - squishy, formbare materialer, der er designet til at formskifte eller bevæge sig rundt gennem en række forskellige mekaniske midler. For eksempel, hydrogelenheder svulmer, når temperatur eller pH ændres; formhukommelsespolymerer og flydende krystalelastomerer deformeres med tilstrækkelige stimuli, såsom varme eller lys; pneumatiske og hydrauliske anordninger kan aktiveres af luft eller vand, der pumpes ind i dem; og dielektriske elastomerer strækker sig under elektriske spændinger.

Men hydrogeler, form-hukommelse polymerer, og flydende krystal elastomerer er langsomme til at reagere, og ændre form i løbet af minutter til timer. Luft- og vanddrevne enheder kræver rør, der forbinder dem med pumper, gør dem ineffektive til fjernstyrede applikationer. Dielektriske elastomerer kræver høje spændinger, normalt over tusind volt.

"Der er ingen ideel kandidat til en blød robot, der kan optræde i et lukket rum som en menneskekrop, hvor du ønsker at udføre visse opgaver ubundet, " siger Kim. "Det er derfor, vi synes, der er et stort løfte i denne idé om magnetisk aktivering, fordi det er hurtigt, kraftfuld, godartet krop, og kan fjernstyres."

Andre grupper har fremstillet magnetisk aktiverede materialer, selvom de bevægelser, de har opnået, har været relativt enkle. For det meste, forskere blander en polymeropløsning med magnetiske perler, og hæld blandingen i en form. Når materialet hærder, de anvender et magnetfelt for at magnetisere perlerne ensartet, før strukturen fjernes fra formen.

"Folk har kun lavet strukturer, der forlænger, krympe, eller bøje, " siger Yuk. "Udfordringen er, hvordan designer man en struktur eller robot, der kan udføre meget mere komplicerede opgaver?"

Domæne spil

I stedet for at lave strukturer med magnetiske partikler af samme, ensartet orientering, holdet ledte efter måder at skabe magnetiske "domæner" - individuelle sektioner af en struktur, hver med en særskilt orientering af magnetiske partikler. Når de udsættes for et eksternt magnetfelt, hver sektion skal bevæge sig på en særskilt måde, afhængigt af retningen dens partikler bevæger sig som reaktion på magnetfeltet. På denne måde gruppen formodede, at strukturer skulle udføre mere komplekse artikulationer og bevægelser.

Med deres nye 3-D-print platform, forskerne kan udskrive sektioner, eller domæner, af en struktur, og tune orienteringen af ​​magnetiske partikler i et bestemt domæne ved at ændre retningen af ​​elektromagneten, der omkranser printerens dyse, efterhånden som domænet udskrives.

Holdet udviklede også en fysisk model, der forudsiger, hvordan en trykt struktur vil deformeres under et magnetfelt. I betragtning af det trykte materiales elasticitet, mønsteret af domæner i en struktur, og måden, hvorpå et eksternt magnetfelt påføres, modellen kan forudsige, hvordan en overordnet struktur vil deformeres eller bevæge sig. Ruike fandt ud af, at modellens forudsigelser var tæt matchede med eksperimenter, som holdet udførte med en række forskellige trykte strukturer.

Ud over en rislende ring, et selvklemmende rør, og en edderkop-lignende griber, holdet udskrev andre komplekse strukturer, såsom et sæt "auxetiske" strukturer, der hurtigt krymper eller udvider sig langs to retninger. Zhao og hans kolleger printede også en ring indlejret med elektriske kredsløb og røde og grønne LED-lys. Afhængigt af orienteringen af ​​et eksternt magnetfelt, ringen deformeres til at lyse enten rød eller grøn, på en programmeret måde.

"Vi har udviklet en printplatform og en forudsigelsesmodel, som andre kan bruge. Folk kan designe deres egne strukturer og domænemønstre, valider dem med modellen, og udskrive dem for at aktivere forskellige funktioner, " siger Zhao. "Ved at programmere kompleks information af struktur, domæne, og magnetfelt, man kan endda printe intelligente maskiner såsom robotter."