Levande organismer expanderar och drar ihop mjuka vävnader för att uppnå komplexa, 3D-rörelser och funktioner, men att replikera dessa rörelser med konstgjorda material har visat sig vara utmanande.

En forskare från University of Texas i Arlington publicerade nyligen banbrytande forskning i Naturkommunikation som visar löfte om att hitta en lösning.

Kyungsuk Yum, en biträdande professor vid UTA:s materialvetenskap och ingenjörsavdelning, och hans doktorand, Amirali Nojoomi, har utvecklat en process genom vilken 2D-hydrogeler kan programmeras att expandera och krympa på ett rums- och tidskontrollerat sätt som applicerar kraft på deras ytor, möjliggör bildandet av komplexa 3D-former och rörelser.

Denna process kan potentiellt förändra hur mjuka tekniska system eller enheter designas och tillverkas. Potentiella tillämpningar för tekniken inkluderar bioinspirerad mjuk robotik, konstgjorda muskler – som är mjuka material som ändrar sin form eller rör sig som svar på externa signaler som våra muskler gör – och programmerbar materia. Konceptet är även tillämpbart på andra programmerbara material.

"Vi studerade hur biologiska organismer använder kontinuerligt deformerbara mjuka vävnader som muskler för att skapa former, ändra form och flytta eftersom vi var intresserade av att använda den här typen av metod för att skapa dynamiska 3D-strukturer, "Yum sa.

Hans tillvägagångssätt använder temperaturkänsliga hydrogeler med lokala grader och hastigheter för svullnad och krympning. Dessa egenskaper gör att Yum kan programmera rumsligt hur hydrogelerna sväller eller krymper som svar på temperaturförändringar med hjälp av en digital ljus 4-D-utskriftsmetod som han utvecklat som inkluderar tre dimensioner plus tid.

Med denna metod, Yum kan skriva ut flera 3D-strukturer samtidigt i en ettstegsprocess. Sedan, han programmerar matematiskt strukturernas krympning och svällning för att bilda 3D-former, såsom sadelformer, rynkor och kottar, och deras riktning.

Han har också utvecklat designregler baserade på konceptet modularitet för att skapa ännu mer komplexa strukturer, inklusive bioinspirerade strukturer med programmerade sekventiella rörelser. Detta gör formerna dynamiska så att de kan röra sig genom rymden. Han kan också kontrollera den hastighet med vilken strukturerna ändrar form och därmed skapa komplexa, sekventiell rörelse, som hur en stingrocka simmar i havet.

"Till skillnad från traditionell additiv tillverkning, vår digitala ljus 4-D utskriftsmetod tillåter oss att skriva ut flera, specialdesignade 3D-strukturer samtidigt. Viktigast, vår metod är mycket snabb, tar mindre än 60 sekunder att skriva ut, och därmed mycket skalbar."

"Dr. Yums tillvägagångssätt för att skapa programmerbara 3D-strukturer har potential att öppna många nya vägar inom bioinspirerad robotik och vävnadsteknik. Den hastighet med vilken hans tillvägagångssätt kan tillämpas, samt dess skalbarhet, gör det till ett unikt verktyg för framtida forskning och tillämpningar, sa Meletis.

Yums papper, "Bioinspirerade 3D-strukturer med programmerbara morfologier och rörelser, " publicerades i numret 12 september av Naturkommunikation .