Forskere bryder ny vej inden for 3D-printet blød robotteknologi med det største udvalg af polymerhybrider

I en undersøgelse offentliggjort i Anvendte materialer i dag , forskere fra Singapore har udviklet det største udvalg af silikone- og epoxyhybridharpikser til 3D-print af bærbare enheder, biomedicinsk udstyr, og blød robotik. Udvalget af justerbare funktionelt sorterede materialer, som viste over fem størrelsesordener af elasticitetsmodul, demonstreret fremragende grænsefladesejhed, højere præcision i komplekse strukturer og bedre fabrikationskontrol til integration af mekatroniske komponenter.

Det tværfaglige team fra Singapore University of Technology and Design (SUTD) fremhævede spørgsmålet om potentialet ved blød robotteknologi, der er begrænset i dets robusthed og anvendelighed i deres papir, "Silicone/epoxyhybridharpikser med justerbare mekaniske og grænsefladeegenskaber til additiv fremstilling af bløde robotter."

For eksempel, integration af mekatroniske komponenter såsom printkort (PCB), sensorer, batterier, pneumatiske fittings, kabler og pumper, i bløde og sammensatte kroppe er fortsat en udfordring, mens designkompleksitet og fabrikationskontrol hindres af de traditionelle støbe- og støbemetoder, der bruges til integration.

For at imødegå disse begrænsninger, holdet udviklede en ny serie af polymerhybrider, som kan udvise en bred vifte af mekaniske egenskaber fra meget bløde til meget stive til brug i henholdsvis blød robotteknologi og lettere montering i traditionelle hårde mekatroniske komponenter. Polymerhybriderne udviser fremragende sejhed og kemisk kompatibilitet til at modstå store belastninger, og kan behandles via direkte blækskrivning for at tillade avanceret digital fremstilling af komplekse strukturer.

Udvalget af nye silikone-epoxy-hybrider var lavet af bløde platin-katalyserede elastomerer og hårde epoxyharpikser hærdet med syreanhydridhærdere. Valget af syreanhydrider i stedet for almindeligt anvendte aminbaserede hærdere gav mulighed for en hidtil uset kemisk kompatibilitet mellem silikone- og epoxyfaser, og muliggjorde også præcis tuning af mekaniske og grænsefladekarakteristika ved at variere dens sammensætninger.

Den resulterende familie af hybrider viste over fem størrelsesordener af elasticitetsmodul, spænder fra 22 kPa til 1,7 GPa, hvilket formentlig er det største udvalg, der er rapporteret for justerbare funktionelt sorterede materialer. Kompositmaterialer med tæt sammensætning udviser fremragende grænsefladesejhed fra 0,8 til 3,0 kJ m ^-2 , muliggør robuste grænseflader mellem bløde kroppe og en bred vifte af traditionelle mekatroniske komponenter. Tilsætning af rheologiske modifikatorer - i dette tilfælde, laponit nanoler – til blækformuleringer muliggjorde additiv fremstilling af komplekse tredimensionelle kompositstrukturer (se billede og video).

Fordelene ved denne nye familie af hybrider blev demonstreret gennem fire hovedeksempler. Først, et PCB blev integreret i en blød membran, der kunne strækkes mere end 200% uden at vise nogen grænsefladebeskadigelse. Sekund, en fingerartikulation blev med succes reproduceret fra anatomiske modeller, med robust integration af knoglelignende, sene-lignende, og ledbåndslignende strukturer. Derefter, strukturen og ydeevnen af ​​forstærkede pneumatiske aktuatorer med justerbare aksiale deformationer blev detaljeret. Endelig, en flagermus-inspireret vingestruktur, der er i stand til at understøtte hurtig dynamik og store bøjningsdeformationer, blev rapporteret.

Ydelserne i disse eksempler kunne kun opnås på grund af den avancerede fremstillingstilgang, der muliggjorde den robuste kombination af materialer i flere skalaer og høje opløsninger, som traditionelle støbe- eller støbningsmetoder ikke kunne opnå.

"Resultaterne og den forståelse, der er afledt af dette arbejde, i grænsefladen mellem kemi, fysik, og teknik, repræsentere et væsentligt bidrag til materialeteknik, især når det anvendes til blød robotteknologi. Vores avancerede fremstillingstilgange letter robuste materialekombinationer i flere skalaer og høje opløsninger, hvilket muliggør nye applikationer til en bred vifte af nøglesektorer, såsom wearables, sundhedspleje, og mere specifikt blød robotik, " sagde hovedforsker adjunkt Pablo Valdivia y Alvarado fra SUTD's Engineering Product Development-program.