I en studie publicerad i Tillämpade material idag , forskare från Singapore har utvecklat det största utbudet av silikon- och epoxihybridhartser för 3D-utskrift av bärbara enheter, biomedicinsk utrustning, och mjuk robotik. Utbudet av avstämbara funktionellt graderade material, som visade över fem storleksordningar av elasticitetsmodul, visade utmärkt gränssnittsseghet, högre precision i komplexa strukturer och bättre tillverkningskontroll för integration av mekatroniska komponenter.

Det tvärvetenskapliga teamet från Singapore University of Technology and Design (SUTD) lyfte fram frågan om potentialen hos mjuk robotik som är begränsad i sin robusthet och tillämpbarhet i sin uppsats, "Silikon/epoxihybridhartser med avstämbara mekaniska och gränssnittsegenskaper för additiv tillverkning av mjuka robotar."

Till exempel, integrationen av mekatroniska komponenter såsom kretskort (PCB), sensorer, batterier, pneumatiska kopplingar, kablar och pumpar, in i mjuka och sammansatta kroppar fortsätter att vara en utmaning, medan designkomplexitet och tillverkningskontroll hindras av de traditionella gjutnings- och gjutmetoderna som används för integration.

För att komma till rätta med dessa begränsningar, teamet utvecklade ett nytt sortiment av polymerhybrider som kan uppvisa ett brett spektrum av mekaniska egenskaper från mycket mjuka till mycket styva för användning i mjuk robotteknik respektive enklare montering i traditionella hårdmekatroniska komponenter. Polymerhybriderna uppvisar utmärkt seghet och kemisk kompatibilitet för att motstå stora påfrestningar, och kunna bearbetas via direktskrivande för att möjliggöra avancerad digital tillverkning av komplexa strukturer.

Utbudet av nya silikon-epoxihybrider var gjorda av mjuka platinakatalyserade elastomerer och hårda epoxihartser härdade med syraanhydridhärdare. Att välja syraanhydrider istället för vanliga aminbaserade härdare möjliggjorde en oöverträffad kemisk kompatibilitet mellan silikon- och epoxifaser, och möjliggjorde även exakt inställning av mekaniska och gränssnittsegenskaper genom att variera dess sammansättningar.

Den resulterande familjen hybrider visade över fem storleksordningar av elastisk modul, från 22 kPa till 1,7 GPa, vilket förmodligen är det största sortimentet som rapporterats för avstämbara funktionsgraderade material. Kompositer med tät sammansättning uppvisar utmärkt gränsytseghet från 0,8 till 3,0 kJ m ^-2 , möjliggör robusta gränssnitt mellan mjuka kroppar och ett brett utbud av traditionella mekatroniska komponenter. Tillägg av reologiska modifierare - i detta fall laponit nanolera – till bläckformuleringar möjliggjorde additiv tillverkning av komplexa tredimensionella kompositstrukturer (se bild och video).

Fördelarna med denna nya familj av hybrider demonstrerades genom fyra huvudexempel. Först, ett kretskort integrerades i ett mjukt membran som kunde töjas mer än 200% utan att uppvisa några gränssnittsskador. Andra, en fingerartikulation reproducerades framgångsrikt från anatomiska modeller, med robust integration av benliknande, senliknande, och ligamentliknande strukturer. Sedan, strukturen och prestandan för förstärkta pneumatiska ställdon med avstämbara axiella deformationer detaljerades. Till sist, en fladdermusinspirerad vingstruktur som kan stödja snabb dynamik och stora böjningsdeformationer rapporterades.

Prestandan i dessa exempel kunde endast uppnås på grund av den avancerade tillverkningsmetoden som möjliggjorde den robusta kombinationen av material i flera skalor och höga upplösningar som traditionella gjutnings- eller formningsmetoder inte kunde uppnå.

"Fynden och förståelsen som härrör från detta arbete, i gränssnittet mellan kemi, fysik, och teknik, representerar ett betydande bidrag till materialteknik, särskilt när det tillämpas på mjuk robotik. Våra avancerade tillverkningsmetoder möjliggör robusta materialkombinationer i flera skalor och höga upplösningar, vilket möjliggör nya applikationer inom ett brett spektrum av nyckelsektorer, som wearables, sjukvård, och mer specifikt mjuk robotik, ", sa chefsutredare biträdande professor Pablo Valdivia y Alvarado från SUTD:s tekniska produktutvecklingsprogram.