Gli organismi viventi espandono e contraggono i tessuti molli per ottenere complessi, Movimenti e funzioni 3D, ma replicare quei movimenti con materiali artificiali si è rivelato impegnativo.

Un ricercatore dell'Università del Texas ad Arlington ha recentemente pubblicato una ricerca rivoluzionaria in Comunicazioni sulla natura che mostra la promessa nel trovare una soluzione.

Kyungsuk Yum, un assistente professore nel dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali di UTA, e il suo dottorando, Amirali Nojoomi, hanno sviluppato un processo mediante il quale gli idrogel 2-D possono essere programmati per espandersi e restringersi in un modo controllato nello spazio e nel tempo che applica forza alle loro superfici, consentendo la formazione di forme e movimenti 3D complessi.

Questo processo potrebbe potenzialmente trasformare il modo in cui i sistemi oi dispositivi di soft engineering sono progettati e fabbricati. Le potenziali applicazioni per la tecnologia includono la robotica morbida bioispirata, muscoli artificiali, che sono materiali morbidi che cambiano forma o si muovono in risposta a segnali esterni come fanno i nostri muscoli, e materia programmabile. Il concetto è applicabile anche ad altri materiali programmabili.

"Abbiamo studiato come gli organismi biologici utilizzano i tessuti molli continuamente deformabili come i muscoli per creare forme, cambia forma e muoviti perché eravamo interessati a utilizzare questo tipo di metodo per creare strutture 3D dinamiche, " Disse Yum.

Il suo approccio utilizza idrogel termosensibili con gradi locali e tassi di rigonfiamento e restringimento. Queste proprietà consentono a Yum di programmare spazialmente come gli idrogel si gonfiano o si restringono in risposta al cambiamento di temperatura utilizzando un metodo di stampa 4-D a luce digitale che ha sviluppato che include tre dimensioni più il tempo.

Usando questo metodo, Yum può stampare più strutture 3D contemporaneamente in un unico passaggio. Quindi, programma matematicamente il restringimento e il rigonfiamento delle strutture per formare forme 3D, come forme di sella, rughe e coni, e la loro direzione.

Ha inoltre sviluppato regole progettuali basate sul concetto di modularità per creare strutture ancora più complesse, comprese le strutture bioispirate con movimenti sequenziali programmati. Questo rende le forme dinamiche in modo che possano muoversi nello spazio. Può anche controllare la velocità con cui le strutture cambiano forma e quindi creare complessi, moto sequenziale, come come una pastinaca nuota nell'oceano.

"A differenza della produzione additiva tradizionale, il nostro metodo di stampa 4-D a luce digitale ci consente di stampare più, strutture 3D progettate su misura contemporaneamente. Più importante, il nostro metodo è molto veloce, impiegando meno di 60 secondi per la stampa, e quindi altamente scalabile."

"L'approccio del Dr. Yum alla creazione di strutture 3D programmabili ha il potenziale per aprire molte nuove strade nella robotica bioispirata e nell'ingegneria dei tessuti. La velocità con cui il suo approccio può essere applicato, così come la sua scalabilità, lo rende uno strumento unico per future ricerche e applicazioni, " disse Melet.

carta di Yum, "Strutture 3D bioispirate con morfologie e movimenti programmabili, " è stato pubblicato nel numero del 12 settembre di Comunicazioni sulla natura .