Forskare vid universitetet i Freiburg och universitetet i Stuttgart har utvecklat en ny process för tillverkning av rörliga, självjusterande materialsystem med standard 3D-skrivare. Dessa system kan genomgå komplexa formförändringar, drar ihop sig och expanderar under påverkan av fukt på ett förprogrammerat sätt. Forskarna modellerade sin utveckling baserat på rörelsemekanismerna i klätterväxten som kallas luftpotatisen (Dioscorea bulbifera).

Med sin nya metod, laget har tagit fram sin första prototyp:en underarmsstöd som anpassar sig till bäraren och som kan utvecklas vidare för medicinska applikationer. Denna process har utvecklats i samarbete av Tiffany Cheng och prof. Dr. Achim Menges från Institute of Computational Design and Construction (ICD) och Integrative Computational Design and Construction for Architecture Cluster of Excellence (IntCDC) vid University of Stuttgart, tillsammans med professor Dr. Thomas Speck från Plant Biomechanics Group and the Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems Cluster of Excellence (livMatS) vid Freiburg universitet. Forskarna presenterar sina resultat i tidskriften Avancerad vetenskap .

4D -utskrift definierar formändringar

3D -utskrift har etablerat sig som en tillverkningsprocess för ett brett spektrum av applikationer. Det kan till och med användas för att producera intelligenta material och materialsystem som förblir i rörelse efter utskrift, autonomt ändrar form från yttre stimuli som ljus, temperatur eller fukt. Denna så kallade 4D-utskrift, där förutbestämda formförändringar kan utlösas av en stimulans, expanderar enormt de potentiella tillämpningarna av materialsystem. Dessa förändringar i form möjliggörs av materialens kemiska sammansättning, som består av stimuli-responsiva polymerer. Dock, skrivarna och basmaterialen som används för att producera sådana materialsystem är vanligtvis högspecialiserade, skräddarsydda och dyra-tills nu.

Nu, med vanliga 3D -skrivare, det är möjligt att producera materialsystem som reagerar på förändringar i fukt. Med tanke på deras struktur, dessa materialsystem kan genomgå formförändringar i hela systemet eller helt enkelt i de enskilda delarna. Forskarna vid universiteten i Freiburg och Stuttgart kombinerade flera svullnad och stabiliserande lager för att förverkliga en komplex rörelsemekanism:en spiralstruktur som dras tätare genom att fälla ut "fickor" som pressorer och som kan lossna igen av sig själv när "fickorna" släpps och den lindade strukturen återgår till det öppna tillståndet.

Naturliga rörelsemekanismer överförda till tekniska materialsystem

För denna nya process, forskarna använde en mekanism från naturen:luftpotatisen klättrar i träd genom att trycka på stammen på värdväxten. Att göra detta, växten slingrar sig först löst runt en trädstam. Då spirar det 'stipuler', basala utväxter av bladen, som ökar utrymmet mellan lindningsstammen och värdväxten. Detta skapar spänning i lindningsstammen på luftpotatisen. För att efterlikna dessa mekanismer, forskarna konstruerade ett modulärt materialsystem genom att strukturera dess lager så att det kan böja i olika riktningar och i olika grader, därigenom lindning och bildning av en spiralstruktur. 'Fickor' på ytan gör att spiralen skjuts utåt och sätts under spänning, vilket får hela materialsystemet att dra ihop sig.

"Än så länge, vår process är fortfarande begränsad till befintliga basmaterial som reagerar på fukt, "säger Achim Menges." Vi hoppas, "Thomas Speck tillägger, "att i framtiden, billiga material som också reagerar på andra stimuli kommer att bli tillgängliga för 3D -utskrift och kan användas med vår process. "

Forskare vid University of Freiburg's Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Cluster of Excellence (livMatS) utvecklar livliknande materialsystem som är inspirerade av naturen. Liksom levande strukturer anpassar de sig autonomt till olika miljöfaktorer, genererar ren energi från sin miljö och är ogenomträngliga för skador eller kan läka sig själva. Dessa materialsystem kommer dock att vara rent tekniska objekt, så att de kan produceras med syntetiska metoder och distribueras under extrema förhållanden.