De flesta kan relatera till att en laddare för bärbar dator går sönder precis där den flexibla kabeln möter den solida adaptern. Det här är bara ett exempel på hur svårt det är att effektivt kombinera hårda och mjuka material. Med hjälp av en unik 3D-utskriftsprocess producerade forskare från TU Delft hybrid multi-material gränssnitt som nådde en anmärkningsvärd närhet till naturens design av ben-senan-kopplingar. Deras forskningsresultat, nyligen publicerade i Nature Communications , har många potentiella tillämpningar.
Trots den stora skillnaden i hårdhet mellan ben och senor, misslyckas aldrig deras skärningar i människokroppen. Det är denna ben-senankoppling som inspirerade ett team av forskare från fakulteten för mekanisk, havs- och materialteknik (3mE) att utforska sätt att optimera de hårda och mjuka gränssnitten mellan konstgjorda material.
När det är en obalans mellan två sammankopplade material resulterar det i en stresskoncentration, förklarar Amir Zadpoor, professor i biomaterial och vävnadsbiomekanik. Det betyder att den mekaniska påfrestningen går till anslutningspunkten och resulterar vanligtvis i brott på det mjukare materialet. En av de saker som syns i naturen är en gradvis förändring av egenskaper vid ett gränssnitt.
"Ett hårt material blir inte plötsligt ett mjukt material", säger Zadpoor. "Det förändras gradvis, och det jämnar ut stresskoncentrationen." Med det i åtanke använde forskarna olika geometrier och en multimaterial 3D-utskriftsteknik för att öka kontaktytan mellan hårda och mjuka gränssnitt, och därigenom emulera naturens design.
Ett annat konstruktionsövervägande är att kraften som ett mjukt material kan tolerera före brott är lägre än för ett hårt material. "Det är bara relevant att göra gränssnittet lika starkt som det mjuka materialet, för om det är starkare kommer det mjuka materialet att misslyckas ändå och det är din teoretiska gräns", säger Dr Mauricio Cruz Saldivar, manuskriptets första författare.
Forskarna kunde förbättra seghetsvärdena för gränssnitt med 50 % jämfört med en kontrollgrupp. Att närma sig gränsen för vad som är teoretiskt möjligt är ett av de viktigaste bidragen från denna forskning, enligt teamet. Men studien resulterade också i en uppsättning designriktlinjer för att förbättra den mekaniska prestandan hos bioinspirerade mjuk-hårda gränssnitt, principer som är universellt tillämpliga.
En hel produkt på en gång
Tekniken som utvecklats av teamet möjliggör också tillverkning av en hel produkt på en gång. Detta är viktigt eftersom produkter med flera material vanligtvis fästs med lim. Delar kan vara sammansatta eller mekaniskt anslutna som i bil- eller flygtillämpningar.
"Men det vi försöker göra är att ta bort de extra stegen som är inblandade, och ha allt på en gång", säger biträdande professor Zjenja Doubrovski. "Det gör det möjligt för oss att kombinera ännu mer exotiska material, till exempel material som har mer dämpningsmotstånd jämfört med material som är starkare." Och denna kombination möjliggör ett större tillämpningsområde.
Många saker kan göras med denna teknik. Potentiella applikationer inkluderar medicinsk utrustning, mjuk robotik och flexibla anordningar. Men teamet syftar också till att utforska att skapa gränssnitt med levande celler för att möjliggöra procedurer som att koppla implantat till den omgivande mjukvävnaden.
– Så småningom skulle vi vilja regenerera ben och kopplingen mellan benet och muskeln, säger biträdande professorn Mohammad J. Mirzaali. "Det skulle innebära att integrera levande celler i detta gränssnitt, vilket skulle lägga till flera lager av komplexitet till konstruktionen." I slutändan lämnar resultaten av detta arbete dörren öppen för en rad framtida studier.
Mer information: M. C. Saldívar et al, Bioinspirerad rationell design av bi-material 3D-utskrivna mjuk-hårda gränssnitt, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43422-9
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Delft University of Technology
