Naturens ritning för den mänskliga lemmen är en noggrant skiktad struktur med stel ben inlindad i lager av olika mjukvävnad, som muskler och hud, alla bundna perfekt till varandra. Uppnå denna typ av sofistikering genom att använda syntetiska material för att bygga biologiskt inspirerade robotdelar eller multikomponenter, komplexa maskiner har varit en teknisk utmaning.

Genom att justera kemin hos en enda polymer, forskare vid Texas A&M University och US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory har skapat en hel familj av syntetiska material som sträcker sig i textur från ultramjuka till extremt styva. Forskarna sa att deras material är 3D-utskrivbara, självläkning, återvinningsbara och de fäster naturligt vid varandra i luften eller under vattnet.

Deras resultat är detaljerade i majnumret av tidskriften Avancerade funktionella material .

"Vi har gjort en spännande grupp av material vars egenskaper kan finjusteras för att antingen få mjukheten i gummi eller styrkan hos bärande plast, "sa Dr Svetlana Sukhishvili, professor vid institutionen för materialvetenskap och motsvarande författare till studien. "Deras andra önskvärda egenskaper, som 3D-utskrivbarhet och förmågan att självläka inom några sekunder, gör dem lämpliga för inte bara mer realistiska proteser och mjuk robotik, men också perfekt för breda militära tillämpningar som smidiga plattformar för flygfordon och futuristiska självläkande flygplansvingar. "

Syntetiska polymerer består av långa strängar av upprepande molekylmotiv, som pärlor på en kedja. I elastomera polymerer, eller elastomerer, dessa långa kedjor är lätt tvärbundna, ger materialen en gummiliknande kvalitet. Dock, dessa tvärbindningar kan också användas för att göra elastomererna styvare genom att öka antalet tvärbindningar.

Även om tidigare studier har manipulerat densiteten hos tvärbindningar för att göra elastomerer styvare, den resulterande förändringen i mekanisk hållfasthet var i allmänhet permanent.

"Tvärlänkar är som stygn i ett tygstycke, ju fler stygn du har, ju styvare materialet blir och vice versa, "sade Sukhishvili." Men istället för att dessa "stygn" ska vara permanenta, vi ville uppnå dynamisk och reversibel tvärbindning så att vi kan skapa material som är återvinningsbara. "

Så, forskarna fokuserade sin uppmärksamhet på molekylerna som är involverade i tvärbindningen. Först, de valde en moderpolymer, kallas prepolymer, och därefter kemiskt stoppade dessa prepolymerkedjor med två typer av små tvärbindningsmolekyler - furan och maleimid. Genom att öka antalet av dessa molekyler i prepolymeren, de fann att de kunde skapa material styvare. På det här sättet, det hårdaste materialet de skapade var 1, 000 gånger starkare än de mjukaste.

Dock, dessa tvärbindningar är också reversibla. Furan och maleimid deltar i en typ av reversibel kemisk bindning. Enkelt uttryckt, i denna reaktion, furan- och maleimidpar kan "klicka" och "avklicka" beroende på temperatur. När temperaturen är tillräckligt hög, dessa molekyler kommer ifrån polykedjorna och materialen mjuknar. Vid rumstemperatur, materialen hårdnar eftersom molekylerna snabbt klickar ihop igen, återigen bilda tvärbindningar. Således, om det finns någon riva i dessa material vid omgivningstemperaturer, forskarna visade att furan och maleimid automatiskt klickar igen, läka luckan inom några sekunder.

Forskarna noterade att de temperaturer vid vilka tvärbindarna dissocierar eller klickar från prepolymerkedjorna är relativt desamma för olika styvhetsnivåer. Den här egenskapen är användbar för 3D-utskrift med dessa material. Oavsett om de är mjuka eller hårda, materialen kan smälta vid samma temperatur och sedan användas som tryckfärg.

"Genom att modifiera maskinvaran och bearbetningsparametrarna i en standard 3D-skrivare, vi kunde använda vårt material för att skriva ut komplexa 3D-objekt lager för lager, "sa Dr Frank Gardea, forskningsingenjör i United States Army Research Laboratory och en motsvarande författare till studien. "Den unika fördelen med våra material är att lagren som utgör 3D-delen kan ha mycket olika styvhet."

När 3D-delen svalnar till rumstemperatur, han tillade att de olika skikten går sömlöst samman, utesluter behovet av härdning eller annan kemisk bearbetning. Följaktligen, de 3D-tryckta delarna kan lätt smältas med hög värme och sedan återvinnas som tryckfärg. Forskarna noterade också att deras material är omprogrammerbart. Med andra ord, efter att ha satts i en form, de kan få dem att byta till en annan form med bara värme.

I framtiden, forskarna planerar att öka funktionaliteten i sina nya material genom att förstärka dess mångfacetterade egenskaper som beskrivs i den aktuella studien.

"Just nu, vi kan enkelt uppnå cirka 80% självläkning vid rumstemperatur, men vi vill gärna nå 100%. Också, vi vill göra våra material lyhörda för andra stimuli än temperatur, som ljus, "sa Gardea." Längre ner på vägen, vi skulle vilja utforska introduktion av lite intelligens på låg nivå så att dessa material vet att de autonomt kan anpassa sig utan att en användare behöver initiera processen. "