Lab gør 4-D print mere praktisk

Bløde robotter og biomedicinske implantater, der omkonfigurerer sig selv efter behov, er tættere på virkeligheden med en ny måde at printe formskiftende materialer på.

Rafael Verduzco og kandidatstuderende Morgan Barnes fra Rice's Brown School of Engineering udviklede en metode til at udskrive objekter, der kan manipuleres til at antage alternative former, når de udsættes for ændringer i temperatur, elektrisk strøm eller stress.

Forskerne tænker på dette som reaktiv 4-D udskrivning. Deres arbejde vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS anvendte materialer og grænseflader .

De rapporterede først deres evne til at lave morphing-strukturer i en form i 2018. Men ved at bruge den samme kemi til 3-D-print, begrænsede de strukturer til former, der sad i samme plan. Det betød, at ingen bump eller andre komplekse krumninger kunne programmeres som den alternative form.

At overvinde denne begrænsning for at afkoble trykningsprocessen fra formning er et væsentligt skridt hen imod mere nyttige materialer, sagde Verduzco.

"Disse materialer, en gang fabrikeret, vil ændre form selvstændigt, " sagde Verduzco. "Vi havde brug for en metode til at kontrollere og definere denne formændring. Vores enkle idé var at bruge flere reaktioner i rækkefølge til at printe materialet og derefter diktere, hvordan det ville ændre form. I stedet for at prøve at gøre det hele i ét trin, vores tilgang giver mere fleksibilitet til at kontrollere de indledende og endelige former og giver os også mulighed for at printe komplekse strukturer."

Laboratoriets udfordring var at skabe en flydende krystal polymer "blæk", der inkorporerer gensidigt eksklusive sæt af kemiske forbindelser mellem molekyler. Man etablerer den originale trykte form, og den anden kan indstilles ved fysisk at manipulere det trykte og tørrede materiale. Hærdning af den alternative form under ultraviolet lys låser i disse led.

Når de to programmerede formularer er indstillet, materialet kan derefter forvandle sig frem og tilbage, når for eksempel, det opvarmes eller afkøles.

Forskerne skulle finde en polymerblanding, der kunne printes i et katalysatorbad og stadig holde sin oprindelige programmerede form.

"Der var en masse parametre, vi skulle optimere - fra de anvendte opløsningsmidler og katalysator, til graden af ​​hævelse, og blækformel - for at tillade blækket at størkne hurtigt nok til at udskrive uden at hæmme den ønskede endelige formaktivering, " sagde Barnes.

En resterende begrænsning af processen er evnen til at udskrive ikke-understøttede strukturer, som kolonner. For at gøre det ville det kræve en løsning, der geler lige nok til at støtte sig selv under udskrivning, hun sagde. At opnå den evne vil give forskere mulighed for at printe langt mere komplekse kombinationer af former.

"Fremtidigt arbejde vil yderligere optimere udskrivningsformlen og bruge stilladsstøttede udskrivningsteknikker til at skabe aktuatorer, der skifter mellem to forskellige komplekse former, " sagde Barnes. "Dette åbner døren til udskrivning af blød robotteknologi, der kunne svømme som en vandmand, hoppe som en cricket eller transportere væsker som hjertet."