Formskiftande material som producerats vid Rice University med en 3D-skrivarmorf från sin ursprungliga form till en alternerande genom förändringar i temperatur, elektrisk ström eller stress. Detta exempel visar hur en utskriven konfiguration kan programmeras för att ta olika former. Kredit:Verduzco Laboratory/Rice University
Mjuka robotar och biomedicinska implantat som konfigurerar om sig själva efter behov är närmare verkligheten med ett nytt sätt att skriva ut formskiftande material.
Rafael Verduzco och doktorand Morgan Barnes från Rice's Brown School of Engineering utvecklade en metod för att skriva ut objekt som kan manipuleras för att anta alternativa former när de utsätts för förändringar i temperatur, elektrisk ström eller stress.
Forskarna tänker på detta som reaktiv 4-D-utskrift. Deras arbete visas i tidskriften American Chemical Society ACS tillämpade material och gränssnitt .
De rapporterade först sin förmåga att göra morfande strukturer i en form 2018. Men att använda samma kemi för 3-D-utskrift begränsade strukturer till former som satt i samma plan. Det innebar att inga stötar eller andra komplexa krökningar kunde programmeras som den alternativa formen.
Att övervinna den begränsningen för att frikoppla tryckprocessen från formning är ett viktigt steg mot mer användbara material, sa Verduzco.
"Dessa material, en gång tillverkad, kommer att ändra form självständigt, ", sa Verduzco. "Vi behövde en metod för att kontrollera och definiera denna formförändring. Vår enkla idé var att använda flera reaktioner i följd för att skriva ut materialet och sedan diktera hur det skulle ändra form. Istället för att försöka göra allt i ett steg, vårt tillvägagångssätt ger mer flexibilitet när det gäller att kontrollera de initiala och slutliga formerna och låter oss också skriva ut komplexa strukturer."
Risingenjören Rafael Verduzco och doktorand Morgan Barnes ledde utvecklingen av en metod för att 3D-printa material som förvandlas från en form till en annan genom tillämpning av temperatur, elektrisk ström eller stress. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Labbets utmaning var att skapa en flytande kristallpolymer "bläck" som innehåller ömsesidigt exklusiva uppsättningar av kemiska länkar mellan molekyler. Man fastställer den ursprungliga tryckta formen, och den andra kan ställas in genom att fysiskt manipulera det tryckta och torkade materialet. Att härda den alternativa formen under ultraviolett ljus låser sig i dessa länkar.
När de två programmerade formerna är inställda, materialet kan sedan förvandlas fram och tillbaka när, till exempel, det värms eller kyls.
Forskarna var tvungna att hitta en polymerblandning som kunde skrivas ut i ett katalysatorbad och fortfarande behålla sin ursprungliga programmerade form.
"Det fanns många parametrar vi var tvungna att optimera - från lösningsmedlen och katalysatorn som användes, till graden av svullnad, och bläckformel - för att tillåta bläcket att stelna tillräckligt snabbt för att skriva ut utan att förhindra den önskade slutliga formaktiveringen, sa Barnes.
En grafik visar processen genom vilken ett Rice University-labb använder 3D-utskrift för att göra formskiftande material som kan vara användbara för att göra mjuka robotar eller som biomedicinska implantat. Kredit:Verduzco Laboratory/Rice University
En återstående begränsning av processen är möjligheten att skriva ut strukturer som inte stöds, som kolumner. För att göra det skulle det krävas en lösning som gelar precis tillräckligt för att stödja sig själv under utskrift, Hon sa. Att få den förmågan gör det möjligt för forskare att skriva ut mycket mer komplexa kombinationer av former.
"Framtida arbete kommer att optimera tryckformeln ytterligare och använda ställningsstödda trycktekniker för att skapa ställdon som övergår mellan två olika komplexa former, ", sa Barnes. "Detta öppnar dörren till utskrift av mjuk robotteknik som kan simma som en manet, hoppa som en syrsa eller transportera vätskor som hjärtat."
