Eftersom 3-D-utskrift har blivit en vanlig teknik, industri- och akademiska forskare har undersökt utskrivbara strukturer som viker sig till användbara tredimensionella former när de värms upp eller nedsänks i vatten.

I ett papper som visas i American Chemical Societys tidskrift Tillämpade material och gränssnitt , forskare från MIT:s Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) och kollegor rapporterar något nytt:en utskrivbar struktur som börjar vikas ihop sig själv så fort den har skalats av utskriftsplattformen.

En av de stora fördelarna med enheter som viker sig själv utan någon yttre stimulans, forskarna säger, är att de kan involvera ett bredare utbud av material och ömtåligare strukturer.

"Om du vill lägga till tryckt elektronik, du kommer vanligtvis att använda vissa organiska material, eftersom en majoritet av tryckt elektronik förlitar sig på dem, " säger Subramanian Sundaram, en MIT doktorand i elektroteknik och datavetenskap och första författare på tidningen. "Dessa material är ofta mycket, mycket känslig för fukt och temperatur. Så om du har dessa elektronik och delar, och du vill initiera veck i dem, du skulle inte vilja doppa dem i vatten eller värma dem, för då kommer din elektronik att försämras."

För att illustrera denna idé, forskarna byggde en prototyp självvikbar utskrivbar enhet som inkluderar elektriska ledningar och en polymer "pixel" som ändras från transparent till ogenomskinlig när en spänning appliceras på den. Enheten, som är en variant på den "utskrivbara guldbaggen" som Sundaram och hans kollegor tillkännagav tidigare i år, börjar se ut ungefär som bokstaven "H". Men vart och ett av benen på H:et viker sig i två olika riktningar, producerar en bordsskiva form.

Forskarna byggde också flera olika versioner av samma grundläggande gångjärnsdesign, som visar att de kan kontrollera den exakta vinkeln med vilken en led viks. I tester, de med tvång rätade ut gångjärnen genom att fästa dem på en vikt, men när vikten togs bort, gångjärnen återtog sina ursprungliga veck.

På kort sikt, tekniken skulle kunna möjliggöra specialtillverkning av sensorer, skärmar, eller antenner vars funktionalitet beror på deras tredimensionella form. Längre period, forskarna tänker sig möjligheten med utskrivbara robotar.

Sundaram får sällskap på tidningen av sin rådgivare, Wojciech Matusik, en docent i elektroteknik och datavetenskap (EECS) vid MIT; Marc Baldo, också docent i EECS, som är specialiserad på organisk elektronik; David Kim, en teknisk assistent i Matusiks Computational Fabrication Group; och Ryan Hayward, professor i polymervetenskap och teknik vid University of Massachusetts i Amherst.

Stressavlastning

Nyckeln till forskarnas design är ett nytt skrivarbläckmaterial som expanderar efter att det stelnat, vilket är ovanligt. De flesta skrivarbläckmaterial drar ihop sig något när de stelnar, en teknisk begränsning som designers ofta måste kringgå.

Utskrivna enheter är uppbyggda i lager, och i sina prototyper deponerar MIT-forskarna sitt expanderande material på exakta platser i antingen de övre eller nedre lagren. Det undre lagret fäster något vid skrivarplattformen, och att vidhäftningen är tillräcklig för att hålla enheten platt när skikten byggs upp. Men så snart den färdiga enheten skalas av plattformen, lederna gjorda av det nya materialet börjar expandera, böja enheten i motsatt riktning.

Liksom många tekniska genombrott, CSAIL-forskarnas upptäckt av materialet var en olycka. De flesta skrivarmaterial som används av Matusiks Computational Fabrication Group är kombinationer av polymerer, långa molekyler som består av kedjeliknande upprepningar av enstaka molekylära komponenter, eller monomerer. Att blanda dessa komponenter är en metod för att skapa skrivarbläck med specifika fysiska egenskaper.

Samtidigt som vi försökte utveckla ett bläck som gav mer flexibla tryckta komponenter, CSAIL-forskarna träffade oavsiktligt en som expanderade något efter att den stelnat. De insåg omedelbart den potentiella nyttan av expanderande polymerer och började experimentera med modifieringar av blandningen, tills de kom fram till ett recept som lät dem bygga fogar som skulle expandera tillräckligt för att vika en tryckt enhet på mitten.

Varför och varför

Haywards bidrag till tidningen var att hjälpa MIT-teamet att förklara materialets expansion. Det bläck som ger den mest kraftfulla expansionen inkluderar flera långa molekylkedjor och en mycket kortare kedja, består av monomeren isooktylakrylat. När ett lager av bläcket utsätts för ultraviolett ljus - eller "härdas, "en process som vanligen används vid 3D-utskrift för att härda material som deponeras som vätskor - de långa kedjorna ansluter till varandra, producerar ett styvt snår av trassliga molekyler.

När ytterligare ett lager av materialet avsätts ovanpå det första, de små kedjorna av isooktylakrylat i toppen, vätskeskiktet sjunker ner i det nedre, styvare lager. Där, de samverkar med de längre kedjorna för att utöva en expansiv kraft, som vidhäftningen till tryckplattformen tillfälligt motstår.

Forskarna hoppas att en bättre teoretisk förståelse av orsaken till materialets expansion kommer att göra det möjligt för dem att designa material som är skräddarsytt för specifika applikationer – inklusive material som motstår den 1–3 procentiga sammandragningen som är typisk för många tryckta polymerer efter härdning.

"Det här arbetet är spännande eftersom det ger ett sätt att skapa funktionell elektronik på 3D-objekt, " säger Michael Dickey, professor i kemiteknik vid North Carolina State University. "Vanligtvis, elektronisk bearbetning sker i en plan, 2-D mode och behöver därför en plan yta. Arbetet här ger en väg för att skapa elektronik med mer konventionella plana tekniker på en 2D-yta och sedan omvandla dem till en 3D-form, samtidigt som elektronikens funktion bibehålls. Förvandlingen sker genom ett smart knep för att bygga in stress i materialen under tryckning."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.