Skrapade knän och armbågar är knepiga ställen för att säkert sätta på ett bandage. Oftare än sällan, limet kommer att skala bort från huden med bara några böjningar av den drabbade leden.

Nu har MIT -ingenjörer kommit fram till en klibbigare lösning, i form av en tunn, lättvikt, gummiliknande film. Den självhäftande filmen kan fastna på mycket deformerbara delar av kroppen, såsom knä och armbåge, och behåller sitt grepp även efter 100 böjningscykler. Nyckeln till filmens klibbighet är ett slitsmönster som forskarna har klippt in i filmen, liknande de snitt som gjorts i en pappersvikande konstform som kallas kirigami.

Forskarna fäst "kirigami -filmen" på en volontärs knä och fann att varje gång hon böjde sitt knä, filmens slitsar öppnade i mitten, i knäregionen med den mest uttalade böjningen, medan slitsarna vid kanterna förblev stängda, så att filmen förblir bunden till huden. Kirigamisnittet ger filmen inte bara stretch, men också bättre grepp:Skärningarna som öppnar släpper ut spänningar som annars skulle få hela filmen att skala bort från huden.

För att demonstrera potentiella applikationer, gruppen tillverkade ett kirigami-mönstrat självhäftande bandage, samt en värmedyna som består av en kirigamifilm gängad med värmetrådar. Med tillämpning av en 3-volts strömförsörjning, dynan håller en stadig temperatur på 100 grader Fahrenheit. Gruppen har också konstruerat en bärbar elektronisk film utrustad med ljusdioder. Alla tre filmerna kan fungera och hålla sig till huden, även efter 100 knäböj.

Ruike Zhao, en postdoc vid MIT:s avdelning för maskinteknik, säger att kirigami-mönstrade lim kan möjliggöra en hel del produkter, från vardagliga medicinska bandage till bärbar och mjuk elektronik.

"För närvarande inom området mjuk elektronik, människor fäster mestadels enheter till regioner med små deformationer, men inte i områden med stora deformationer som gemensamma regioner, för att de skulle lossna, "Ruike säger." Jag tror att kirigami -film är en lösning på detta problem som vanligtvis finns i lim och mjuk elektronik. "

Ruike är huvudförfattare till ett papper publicerat online denna månad i tidningen Mjuk materia . Hennes medförfattare är doktorander Shaoting Lin och Hyunwoo Yuk, tillsammans med Xuanhe Zhao, Noyce karriärutvecklingsprofessor vid MIT:s avdelning för maskinteknik.

Adhesion från en konstform

I augusti 2016, Ruike och hennes kollegor kontaktades av representanter från ett läkemedelsföretag i Kina, som bad gruppen att utveckla en förbättrad version av ett populärt smärtlindrande bandage som företaget för närvarande tillverkar.

"Lim som dessa bandage används mycket ofta i vårt dagliga liv, men när du försöker fästa dem på platser som stöter på stora, inhomogen böjningsrörelse, som armbågar och knän, de lossnar vanligtvis, "Säger Ruike." Det är ett stort problem för företaget, som de bad oss ​​lösa. "

Teamet ansåg kirigami som en potentiell lösning. Ursprungligen en asiatisk folkkonst, kirigami är praxis att klippa invecklade mönster till papper och vika detta papper, ungefär som origami, att skapa vackert, utarbeta tredimensionella strukturer. På senare tid, vissa forskare har utforskat kirigami som ett sätt att utveckla nya, funktionella material.

"I de flesta fallen, människor gör snitt i en struktur för att göra den töjbar, "Säger Ruike." Men vi är den första gruppen som hittar, med en systematisk mekanismstudie, att en kirigami -design kan förbättra ett materials vidhäftning. "

Forskarna tillverkade tunna kirigami -filmer genom att hälla en flytande elastomer, eller gummilösning, i 3D-tryckta formar. Varje form trycktes med rader med förskjutna spår med olika mellanrum, som forskarna sedan fyllde med gummilösningen. En gång härdat och lyft ur formarna, de tunna elastomerskikten besattes med rader med förskjutna slitsar. Forskarna säger att filmen kan tillverkas av ett brett spektrum av material, från mjuka polymerer till hårdmetallplåt.

Ruike applicerade en tunn limbeläggning, liknande det som appliceras på bandage, till varje film innan den fästs på en volontärs knä. Hon noterade varje films förmåga att hålla sig till knäet efter upprepad böjning, jämfört med en elastomerfilm som inte hade några kirigamimönster. Efter bara en cykel, Slätten, kontinuerlig film lossnar snabbt, Kirigami -filmen behöll sitt grepp, även efter 100 knäböj.

En balans i designen

För att ta reda på varför kirigamisnitt förbättrar ett materials vidhäftande egenskaper, forskarna band först en kirigami -film till en polymeryta, utsatte sedan materialet för sträckningstester. De mätte mängden sträckning en kirigami-film kan genomgå innan de skalas bort från polymerytan-en mätning som de använde för att beräkna materialets kritiska "energifrigöringshastighet, "en kvantitet för att utvärdera lossning.

De fann att denna energisläppande hastighet varierade genom en enda film:När de drog filmen från endera änden som ett dragspel, slitsarna mot mitten uppvisade en högre energiutsläppshastighet och var först att skala upp under mindre sträckning. I kontrast, slitsarna i vardera änden av filmen fortsatte att hålla fast vid den underliggande ytan och förblev stängda.

Genom dessa experiment, Ruike identifierade tre huvudparametrar som ger kirigamifilmer sina vidhäftande egenskaper:skjuvförskjutning, i vilken skjuvdeformation av film kan minska belastningen på andra delar av filmen; partiell avskiljning, i vilken filmsegmenten runt en öppen slits bibehåller en partiell bindning till den underliggande ytan; och inhomogen deformation, där en film kan bibehålla sin övergripande vidhäftning, även om delar av dess underliggande yta kan böjas och töjas mer än andra.

Beroende på applikationen, Ruike säger att forskare kan använda teamets resultat som en designplan för att identifiera det bästa mönstret för snitt och den optimala balansen mellan de tre parametrarna, för en viss ansökan.

"Dessa tre parametrar hjälper till att styra utformningen av mjuk, avancerade material, "Ruike säger." Du kan alltid designa andra mönster, precis som folkkonst. Det finns så många lösningar som vi kan tänka oss. Följ bara den mekaniska vägledningen för en optimerad design, och du kan uppnå många saker. "

Ruike och hennes kollegor har patent på sin teknik och fortsätter att samarbeta med läkemedelsföretaget, som för närvarande planerar att tillverka medicinplåster tillverkade av kirigami -filmer.

"De gör denna smärtlindrande kudde som är ganska populär i Kina-även mina föräldrar använder den, "Säger Ruike." Så det är superspännande. "

Teamet förgrenar sig nu för att utforska andra material för att mönstra kirigamisnitt.

"De nuvarande filmerna är rent elastomerer, "Ruike säger." Vi vill ändra filmmaterialet till geler, som direkt kan sprida medicin i huden. Det är vårt nästa steg. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.