Forskeren skaber hydrogeler, der er i stand til kompleks bevægelse

Levende organismer udvider sig og sammentrækker blødt væv for at opnå komplekse, 3D-bevægelser og funktioner, men at kopiere disse bevægelser med menneskeskabte materialer har vist sig at være udfordrende.

En University of Texas i Arlington forsker offentliggjorde for nylig banebrydende forskning i Naturkommunikation der viser løfte om at finde en løsning.

Kyungsuk Yum, en adjunkt i UTAs afdeling for materialevidenskab og teknik, og hans doktorand, Amirali Nojoomi, har udviklet en proces, hvorved 2-D hydrogeler kan programmeres til at ekspandere og krympe på en rum- og tidsstyret måde, der anvender kraft på deres overflader, muliggør dannelse af komplekse 3D-former og bevægelser.

Denne proces kan potentielt ændre den måde soft engineering -systemer eller -udstyr er designet og fremstillet. Potentielle applikationer til teknologien omfatter bioinspireret blød robotik, kunstige muskler - som er bløde materialer, der ændrer deres former eller bevæger sig som reaktion på eksterne signaler, som vores muskler gør - og programmerbart stof. Konceptet kan også anvendes på andre programmerbare materialer.

"Vi undersøgte, hvordan biologiske organismer bruger kontinuerligt deformerbare bløde væv såsom muskler til at lave former, ændre form og flytte, fordi vi var interesserede i at bruge denne type metode til at skabe dynamiske 3D-strukturer, "Sagde Yum.

Hans fremgangsmåde anvender temperaturfølsomme hydrogeler med lokale grader og hævelse og krympning. Disse egenskaber giver Yum mulighed for rumligt at programmere, hvordan hydrogelerne svulmer eller krymper som reaktion på temperaturændringer ved hjælp af en digital lys 4-D-udskrivningsmetode, han udviklede, der omfatter tre dimensioner plus tid.

Ved hjælp af denne metode, Yum kan udskrive flere 3D-strukturer samtidigt i en et-trins proces. Derefter, han matematisk programmerer strukturernes krympning og hævelse til at danne 3D-former, såsom sadelformer, rynker og kegler, og deres retning.

Han har også udviklet designregler baseret på begrebet modularitet for at skabe endnu mere komplekse strukturer, herunder bioinspirerede strukturer med programmerede sekventielle bevægelser. Dette gør formerne dynamiske, så de kan bevæge sig gennem rummet. Han kan også styre den hastighed, hvormed strukturerne ændrer form og dermed skaber komplekse, sekventiel bevægelse, såsom hvordan en rokker svømmer i havet.

"I modsætning til traditionel additiv fremstilling, vores digitale lys 4-D udskrivningsmetode giver os mulighed for at udskrive flere, specialdesignede 3D-strukturer samtidigt. Mest vigtigt, vores metode er meget hurtig, tager mindre end 60 sekunder at udskrive, og dermed meget skalerbar. "

"Dr. Yums tilgang til at skabe programmerbare 3D-strukturer har potentiale til at åbne mange nye veje inden for bioinspireret robotik og vævsteknik. Hastigheden, hvormed hans tilgang kan anvendes, såvel som dens skalerbarhed, gør det til et unikt værktøj til fremtidig forskning og applikationer, "Sagde Meletis.

Yums papir, "Bioinspirerede 3D -strukturer med programmerbare morfologier og bevægelser, "blev offentliggjort i 12. september -udgaven af Naturkommunikation .