Kirigami inspirerer til bedre bandager

Skrabede knæ og albuer er vanskelige steder at påføre en bandage sikkert. Oftere end ikke, klæbemidlet vil skrælle væk fra huden med blot et par bøjninger af det berørte led.

Nu er MIT -ingeniører kommet med en klæbrigere løsning, i form af en tynd, letvægts, gummilignende film. Den klæbende film kan klæbe til meget deformerbare områder af kroppen, såsom knæ og albue, og bevarer holdet selv efter 100 bøjningscykler. Nøglen til filmens klæbrighed er et mønster af slidser, som forskerne har skåret ind i filmen, ligner udskæringerne i en papirfoldende kunstform kendt som kirigami.

Forskerne fastgjorde "kirigami -filmen" til et frivilligt knæ og fandt ud af, at hver gang hun bøjede sit knæ, filmens spalter åbnede i midten, i området af knæet med den mest udtalte bøjning, mens slidserne ved kanterne forblev lukkede, tillader filmen at forblive bundet til huden. Kirigami-udskæringerne giver filmen ikke kun stræk, men også bedre greb:Snittene, der åbner, frigiver spændinger, der ellers ville få hele filmen til at skrælle væk fra huden.

For at demonstrere potentielle applikationer, gruppen fremstillede en kirigami-mønstret klæbende bandage, samt en varmepude bestående af en kirigami -film gevind med varmeledninger. Med anvendelse af en 3-volt strømforsyning, puden holder en konstant temperatur på 100 grader Fahrenheit. Gruppen har også konstrueret en bærbar elektronisk film udstyret med lysemitterende dioder. Alle tre film kan fungere og klæbe til huden, selv efter 100 knæbøjninger.

Ruike Zhao, en postdoc i MIT's afdeling for maskinteknik, siger kirigami-mønstrede klæbemidler kan muliggøre en hel række af produkter, fra dagligdags medicinske bandager til bærbar og blød elektronik.

"I øjeblikket inden for området blød elektronik, folk tilslutter for det meste enheder til områder med små deformationer, men ikke i områder med store deformationer som f.eks. fællesområder, fordi de ville løsne sig, "Ruike siger." Jeg tror, ​​kirigami -film er en løsning på dette problem, der almindeligvis findes i klæbemidler og blød elektronik. "

Ruike er hovedforfatter til et papir, der blev offentliggjort online i denne måned i tidsskriftet Soft Matter . Hendes medforfattere er kandidatstuderende Shaoting Lin og Hyunwoo Yuk, sammen med Xuanhe Zhao, Noyce karriereudviklingsprofessor i MIT's afdeling for maskinteknik.

Adhæsion fra en kunstform

I august 2016, Ruike og hendes kolleger blev kontaktet af repræsentanter fra et medicinsk forsyningsselskab i Kina, der bad gruppen om at udvikle en forbedret version af en populær smertelindrende bandage, som virksomheden i øjeblikket fremstiller.

"Klæbemidler som disse bandager bruges meget almindeligt i vores daglige liv, men når du prøver at fastgøre dem til steder, der støder på store, inhomogen bøjningsbevægelse, som albuer og knæ, de løsner normalt, "Ruike siger." Det er et kæmpe problem for virksomheden, som de bad os løse. "

Teamet betragtede kirigami som en potentiel løsning. Oprindeligt en asiatisk folkekunst, kirigami er praksis med at skære indviklede mønstre i papir og folde dette papir, ligner origami, at skabe smukke, udarbejde tredimensionelle strukturer. For nylig, nogle forskere har undersøgt kirigami som en måde at udvikle nye, funktionelle materialer.

"I de fleste tilfælde, folk skærer i en struktur for at gøre den strækbar, "Ruike siger." Men vi er den første gruppe, der fandt, med en systematisk mekanismestudie, at et kirigami -design kan forbedre et materiales vedhæftning. "

Forskerne fremstillede tynde kirigami -film ved at hælde en flydende elastomer, eller gummiopløsning, i 3D-trykte forme. Hver form blev trykt med rækker af forskudte riller med forskellige mellemrum, som forskerne så fyldte med gummiopløsningen. Når først hærdet og løftet ud af formene, de tynde elastomerlag var besat med rækker af forskudte slidser. Forskerne siger, at filmen kan laves af en lang række materialer, fra bløde polymerer til hårde metalplader.

Ruike påførte en tynd klæbende belægning, ligner det, der påføres bandager, til hver film, før den fastgøres til en frivilliges knæ. Hun noterede sig hver films evne til at holde sig til knæet efter gentagen bøjning, sammenlignet med en elastomerfilm, der ikke havde kirigami -mønstre. Efter kun en cyklus, sletten, kontinuerlig film løsnes hurtigt, der henviser til, at kirigami -filmen bevarede sit hold, selv efter 100 knæbøjninger.

En balance i design

For at finde ud af, hvorfor kirigami -udskæringer forbedrer et materiales klæbeegenskaber, forskerne limede først en kirigami-film til en polymeroverflade, derefter udsat materialet for stræktest. De målte mængden af ​​strækning, en kirigami-film kan gennemgå, før de skrællede væk fra polymeroverfladen-en måling, de brugte til at beregne materialets kritiske "energifrigivelseshastighed, "en mængde til at evaluere løsrivelse.

De fandt ud af, at denne energifrigivelseshastighed varierede gennem en enkelt film:Da de trak filmen fra begge ender som en harmonika, slidserne mod midten udviste en højere energifrigivelseshastighed og var de første til at åbne sig under mindre stræk. I modsætning, slidserne i hver ende af filmen fortsatte med at klæbe til den underliggende overflade og forblev lukkede.

Gennem disse forsøg Ruike identificerede tre hovedparametre, der giver kirigami-film deres klæbende egenskaber:shear-lag, i hvilken forskydningsdeformation af film kan reducere belastningen på andre dele af filmen; delvis afbinding, hvor filmsegmenterne omkring en åben spalte bevarer en delvis binding til den underliggende overflade; og inhomogen deformation, hvor en film kan bevare sin samlede vedhæftning, selv da dele af dens underliggende overflade kan bøje og strække sig mere end andre.

Afhængigt af applikationen, Ruike siger, at forskere kan bruge holdets resultater som en designplan for at identificere det bedste snitmønster og den optimale balance mellem de tre parametre, for en given ansøgning.

"Disse tre parametre hjælper med at guide designet af bløde, avancerede materialer, " siger Ruike. "Du kan altid designe andre mønstre, ligesom folkekunst. Der er så mange løsninger, som vi kan tænke på. Bare følg den mekaniske vejledning for et optimeret design, og du kan opnå mange ting. "

Ruike og hendes kolleger har indgivet patent på deres teknik og fortsætter med at samarbejde med det medicinske forsyningsfirma, som i øjeblikket laver planer om at fremstille medicinplaster lavet af kirigami -film.

"De laver denne smertelindrende pude, der er ret populær i Kina-selv mine forældre bruger den, " siger Ruike. "Så det er super spændende."

Teamet forgrener sig nu for at udforske andre materialer, hvorpå man kan mønstre kirigami -udskæringer.

"De nuværende film er rent elastomerer, " siger Ruike. "Vi vil ændre filmmaterialet til geler, som direkte kan diffundere medicin ind i huden. Det er vores næste skridt."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.