Forskare vid Carnegie Mellon Universitys College of Engineering har skapat en kommersiellt tillgänglig fiberextruder med öppen källkod för att gynna framtida forskning med hydrogeler och mjuk robotik.

Som deras namn antyder börjar hydrogeler i flytande form som monomerer. Denna trögflytande vätska, som kan vara gjord av syntetiska eller naturliga material från polyester till natriumalginat, kan användas som bläck för 3D-utskrift. Bläcket laddas först i en spruta, pumpas sedan genom nålen som en tunn filament och stelnar efter 3D-utskrift för att bilda en flerdimensionell struktur, på samma sätt som Jell-O först blandas upp som en vätska innan det förvandlas till en mjuk, böjbar dessert. När hydrogeler placeras i rätt miljö tvärbinds monomererna i vätskan för att bilda polymerer, vilket ger form åt hydrogelen och låter den fånga vatten.

Du kanske föreställer dig att dessa smidiga material också är ömtåliga – och det är en nackdel med att arbeta med hydrogeler för robotapplikationer. För att lösa detta problem och tillåta hydrogeler att användas i en större mängd olika uppgifter och tuffa miljöer, har Wenhuan Sun, en Ph.D. student i maskinteknik, tillsammans med Victoria Webster-Wood och Adam Feinberg, designade en kontinuerlig fiberextruder, en anordning som förstärker hydrogelerna, så att de inte lätt går sönder eller tappar sin form när de laddas. Feinberg, professor i biomedicinsk teknik och materialvetenskap och teknik, skapade tidigare 3D-skrivaren som fiberextruderarna först testades på.

Att bädda in fibrer i hydrogeler under tryckprocessen förstärker deras mekaniska egenskaper så att de inte är lika ömtåliga. Att skapa en kommersiellt tillgänglig fiberextruder med öppen källkod kommer att gynna framtida forskning med hydrogeler. Inte bara är teamets extruderdesign relativt billig till cirka $53, utan den är också kompatibel med många 3D-utskriftsenheter hemma och har testats framgångsrikt i hydrogeler inbäddade med både syntetiska och naturliga fibrer, inklusive silke och kollagen. Teamets papper, publicerad i HardwareX , fungerar nästan som en formel för andra forskare som vill experimentera med fiberinbäddad hydrogel 3D-utskrift.

"Det här dokumentet beskriver hela processen för hur vi byggde fiberprinthubben så att andra människor bara kan referera till vårt arbete och sedan bygga sitt eget utan ytterligare instruktioner", säger Sun om hur deras forskning tjänar robotsamhället.

När hydrogeler bibehåller sin strukturella integritet kan de appliceras på en större mängd olika situationer. Deras unika egenskaper som flexibilitet och mjukhet gör dem till idealiska verktyg för läkemedelstillförsel och vävnadsteknik, men fysisk robusthet öppnar dörren till bredare uppgifter inom mjuk robotik. Eftersom de kontinuerliga fibersträngsprutmaskinerna fungerar bra med naturliga material som kollagen och alginat, är förstärkta hydrogeler redo att bli ett anpassningsbart material för mjuka robotar, och de är också miljövänliga.

"Vi är verkligen intresserade av hur vi kan använda biologiskt nedbrytbara material i robotar", säger Webster-Wood, en biträdande professor i maskinteknik som grundade Biohybrid and Organic Robotics Group. "Dessa växtbaserade hydrogeler är en riktigt intressant riktning, eftersom vi i princip kan odla materialen för robotarna och göra dem förnybara." + Utforska vidare

Nytt naturligt hydrogelbläck för digital ljusbearbetning 3D-utskrift