Созданы чернила для 3D-печати гибких устройств без механических соединений

Для инженеров, работающих над мягкой робототехникой или носимыми устройствами, сохранение легкости изделия — всегда актуальная задача: более тяжелые материалы требуют больше энергии для перемещения и — в случае носимых устройств или протезов — вызывают дискомфорт.

Эластомеры — это синтетические полимеры, которые можно изготовить с различными механическими свойствами, от жестких до растягивающихся, что делает их популярным материалом для подобного применения. Но производство эластомеров, из которых можно сформировать сложные 3D-структуры, переходящие из жестких в резиновые, до сих пор не представлялось возможным.

Эластомеры обычно отливаются таким образом, что их состав не может быть изменен во всех трех измерениях на коротких отрезках длины. Чтобы преодолеть эту проблему, мы разработали DNGE: 3D-печатные гранулированные эластомеры с двойной сетью, которые могут изменять свои механические свойства в беспрецедентной степени, — говорит Эстер Амстад, руководитель лаборатории мягких материалов в инженерной школе EPFL.

Ева Баур, аспирантка из лаборатории Амстад, использовала DNGE для печати прототипа «пальца», состоящего из жестких „костей“, окруженных гибкой „плотью“. Палец был напечатан таким образом, чтобы деформироваться заранее определенным образом, демонстрируя потенциал технологии для производства устройств, которые достаточно эластичны, чтобы сгибаться и растягиваться, но при этом достаточно тверды, чтобы манипулировать объектами.

Благодаря этим преимуществам, по мнению исследователей, DNGE могут облегчить разработку мягких приводов, датчиков и носимых устройств, не требующих тяжелых и громоздких механических соединений. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Две эластомерные сети — в два раза более универсальные

Ключ к универсальности DNGEs лежит в создании двух эластомерных сетей. Сначала из капель эмульсии «масло в воде» получают микрочастицы эластомера. Эти микрочастицы помещаются в раствор прекурсора, где они поглощают эластомерные соединения и набухают. Затем набухшие микрочастицы используются для изготовления чернил для 3D-печати, которые загружаются в биопринтер для создания нужной структуры. Прекурсор полимеризуется внутри 3D-печатной структуры, создавая вторую эластомерную сеть, которая придает жесткость всему объекту.

В то время как состав первой сети определяет жесткость структуры, вторая определяет ее прочность на излом, что означает, что обе сети могут быть настроены независимо друг от друга для достижения сочетания жесткости, прочности и усталостной прочности. Использование эластомеров вместо гидрогелей — материалов, используемых в современных подходах, — имеет дополнительное преимущество: структуры не содержат воды, что делает их более стабильными с течением времени. Кроме того, DNGE можно напечатать с помощью коммерчески доступных 3D-принтеров.

Прелесть нашего подхода в том, что его может использовать любой человек, имеющий стандартный биопринтер, — подчеркивает Амстад.

Одним из интересных потенциальных применений ДНГЭ является использование в устройствах для реабилитации, управляемых движением, где способность поддерживать движение в одном направлении, ограничивая его в другом, может быть очень полезной. Дальнейшее развитие технологии DNGE может привести к созданию протезов или даже направляющих движений для помощи хирургам. Еще одной областью применения является распознавание движений на расстоянии, например, в роботизированной уборке урожая или подводной разведке.

Амстад говорит, что Лаборатория мягких материалов уже работает над следующими шагами по созданию таких приложений, интегрируя в структуры DNGE активные элементы — такие как чувствительные материалы и электрические соединения.

Иллюстрация: © Adrian Alberola

18.04.2024