En intelligent, formformende, selvhelbredende materiale til integreret kunstig muskel og nervevæv

Fremskridt inden for blød robotik, bærbare teknologier og grænseflader mellem mennesker og maskiner kræver en ny klasse af strækbare materialer, der kan ændre form adaptivt, mens de kun er afhængige af bærbar elektronik til strøm. Forskere ved Carnegie Mellon University har udviklet et sådant materiale, der udviser en unik kombination af høj elektrisk og termisk ledningsevne med aktiveringsegenskaber, der ikke ligner noget andet blødt komposit.

I resultater offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences denne uge, forskerne rapporterer om dette intelligente nye materiale, der kan tilpasse sin form som reaktion på sit miljø. Papiret har titlen "En multifunktionel formformende elastomer med flydende metalindeslutninger."

"Det er ikke kun termisk og elektrisk ledende, det er også intelligent, "sagde Carmel Majidi, en lektor i maskinteknik, der leder Soft Machines Lab på Carnegie Mellon. "Ligesom et menneske vender tilbage, når man rører ved noget varmt eller skarpt, de materielle sanser, processer, og reagerer på sit miljø uden ekstern hardware. Fordi den har neurale lignende elektriske veje, det er et skridt tættere på kunstigt nervevæv. "

Majidi er en pioner inden for udvikling af nye klasser af materialer til brug inden for blødstofsteknik og blød robotik. Hans forskergruppe har tidligere skabt avancerede materialearkitekturer ved hjælp af deformerbare flydende metalmikro- og nanodråber af galliumindium. Det er første gang, at hans laboratorium har kombineret denne teknik med flydende krystalelastomerer (LCE'er), en form af formformende gummi. Majidi og hans forskerhold samarbejdede med LCE -ekspert Taylor Ware, professor i bioingeniør ved University of Texas, Dallas, og hans kandidatstuderende, Cedric Ambulo.

LCE'er er som flydende krystaller, der bruges i fladskærme, men er forbundet som gummi. Fordi de bevæger sig, når de udsættes for varme, de har lovende funktionalitet som et formformende materiale; desværre, de mangler den elektriske og termiske ledningsevne, der er nødvendig for aktivering af formhukommelse. Selvom stive fyldstoffer kan inkorporeres for at forbedre ledningsevnen, disse får LCE'ernes mekaniske egenskaber og formformende egenskaber til at forringes. Forskerne overvandt disse udfordringer ved at kombinere det flydende metal gallium indium med LCE'erne for at skabe et blødt, strækbar komposit med enestående multifunktionalitet.

Et andet centralt træk ved materialet er dets modstandsdygtighed og reaktion på betydelige skader.

"Vi observerede både elektrisk selvheling og skaderegistreringsevner for denne komposit, men skaderegistreringen gik et skridt videre end tidligere flydende metalkompositter, "forklarede Michael Ford, en postdoktoral forskningsassistent i Soft Machines Lab og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. "Da skaden skaber nye ledende spor, der kan aktivere form-morphing, kompositten reagerer entydigt på skader. "

Materialets høje elektriske ledningsevne gør det muligt for kompositten at grænseflade med traditionel elektronik, reagere dynamisk på berøring, og ændre form reversibelt. Det kan bruges i enhver applikation, der kræver strækbar elektronik:sundhedspleje, tøj, bærbar computer, hjælpeapparater og robotter, og rumrejser.