Varje komplex mänskligt verktyg, från det första spjutet till senaste smartphone, har innehållit flera material kilade, bunden, skruvad, limmade eller lödda ihop. Men nästa generations verktyg, från autonoma squishy robotar till flexibla wearables, kommer att vara mjuk. Att kombinera flera mjuka material till en komplex maskin kräver en helt ny verktygslåda – trots allt, det finns inget som heter en mjuk skruv.

Nuvarande metoder för att kombinera mjuka material är begränsade, förlitar sig på lim eller ytbehandlingar som kan begränsa tillverkningsprocessen. Till exempel, det är inte mycket meningsfullt att applicera lim eller utföra ytbehandling innan varje droppe bläck faller av under en 3D-utskriftssession. Men nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat en ny metod för att kemiskt binda flera mjuka material oberoende av tillverkningsprocessen. I princip, metoden kan tillämpas i alla tillverkningsprocesser, inklusive men 3D -utskrift och beläggning. Denna teknik öppnar dörren för tillverkning av mer komplexa mjuka maskiner.

Forskningen publiceras i Naturkommunikation .

"Denna teknik gör att vi kan binda olika hydrogeler och elastomerer i olika tillverkningsprocesser utan att göra avkall på egenskaperna hos materialen, "sade Qihan Liu, en postdoktor på SEAS och medförfattare till tidningen. "Vi hoppas att detta kommer att bana väg för snabb prototypframställning och masstillverkning av biomimetiska mjuka enheter för sjukvården, mode och augmented reality."

Forskarna fokuserade på de två mest använda byggstenarna för mjuka enheter, hydrogeler (ledare) och elastomerer (isolatorer). För att kombinera materialen, teamet blandade kemiska kopplingsmedel i prekursorerna till både hydrogeler och elastomerer. Kopplingsmedlen ser ut som molekylära händer med små svansar. När föregångarna formas till materiella nätverk, svansen på kopplingsmedlen fäster vid polymernätverk, medan handen förblir öppen. När hydrogel och elastomer kombineras i tillverkningsprocessen, de fria händerna sträcker sig över materialgränsen och skakar, skapar kemiska bindningar mellan de två materialen. Tidpunkten för "handskakningen" kan ställas in av flera faktorer, såsom temperatur och katalysatorer, tillåta olika mängder tillverkningstid innan bindning sker.

Forskarna visade att metoden kan binda två bitar av gjutna material som lim men utan att applicera ett limskikt på gränssnittet. Metoden möjliggör också beläggning och tryckning av olika mjuka material i olika sekvenser. I samtliga fall, hydrogel och elastomer skapade en stark, långvarig kemisk bindning.

"Tillverkningen av mjuka enheter involverar flera sätt att integrera hydrogeler och elastomerer, inklusive direkt anknytning, gjutning, beläggning, och tryckning, "sade Canhui Yang, en postdoktor på SEAS och medförfattare till tidningen. "Medan varje nuvarande metod endast möjliggör två eller tre tillverkningsmetoder, vår nya teknik är mångsidig och möjliggör alla olika sätt att integrera material."

Forskarna visade också att hydrogeler - som som namnet antyder mestadels är vatten - kan göras värmebeständiga vid höga temperaturer med hjälp av en bunden beläggning, utöka temperaturintervallet som hydrogelbaserad anordning kan användas. Till exempel, en hydrogelbaserad bärbar enhet kan nu strykas utan att koka.

"Flera senaste fynd har visat att hydrogeler kan möjliggöra elektriska apparater långt bortom tidigare tänkt, " sa Zhigang Suo, Allen E. och Marilyn M. Puckett Professor i mekanik och material vid SEAS och seniorförfattare till tidningen. "Dessa enheter efterliknar muskelns funktioner, hud, och axon. Liksom integrerade kretsar inom mikroelektronik, dessa enheter fungerar genom att integrera olika material. Detta arbete möjliggör stark vidhäftning mellan mjuka material i olika tillverkningsprocesser. Det är tänkbart att integrerade mjuka material möjliggör spandexliknande pekplattor och displayer som man kan bära, tvätta, och järn. "