I materiali mutaforma prodotti alla Rice University con una stampante 3D si trasformano dalla loro forma originale in un'alternativa attraverso i cambiamenti di temperatura, corrente elettrica o stress. Questo esempio mostra come una configurazione stampata può essere programmata per assumere varie forme. Credito:Laboratorio Verduzco/Università del riso
I robot morbidi e gli impianti biomedici che si riconfigurano su richiesta sono più vicini alla realtà con un nuovo modo di stampare materiali mutaforma.
Rafael Verduzco e lo studente laureato Morgan Barnes della Brown School of Engineering di Rice hanno sviluppato un metodo per stampare oggetti che possono essere manipolati per assumere forme alternative se esposti a variazioni di temperatura, corrente elettrica o stress.
I ricercatori considerano questo come una stampa 4D reattiva. Il loro lavoro appare sulla rivista dell'American Chemical Society Materiali e interfacce applicati ACS .
Hanno segnalato per la prima volta la loro capacità di creare strutture di morphing in uno stampo nel 2018. Ma l'uso della stessa chimica per la stampa 3D ha limitato le strutture alle forme che si trovavano sullo stesso piano. Ciò significava che non era possibile programmare urti o altre curvature complesse come forma alternativa.
Superare questa limitazione per disaccoppiare il processo di stampa dalla modellatura è un passo significativo verso materiali più utili, disse Verduzco.
"Questi materiali, una volta fabbricato, cambierà forma autonomamente, " Ha detto Verduzco. "Avevamo bisogno di un metodo per controllare e definire questo cambiamento di forma. La nostra semplice idea era quella di utilizzare più reazioni in sequenza per stampare il materiale e quindi dettare come avrebbe cambiato forma. Piuttosto che provare a fare tutto questo in un solo passaggio, il nostro approccio offre maggiore flessibilità nel controllo delle forme iniziali e finali e ci consente anche di stampare strutture complesse".
L'ingegnere di riso Rafael Verduzco e lo studente laureato Morgan Barnes hanno guidato lo sviluppo di un metodo per la stampa 3D di materiali che si trasformano da una forma all'altra attraverso l'applicazione di temperatura, corrente elettrica o stress. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
La sfida del laboratorio era creare un "inchiostro" polimerico a cristalli liquidi che incorporasse insiemi di legami chimici tra le molecole che si escludono a vicenda. Si stabilisce la forma stampata originale, e l'altro può essere impostato manipolando fisicamente il materiale stampato e asciugato. La polimerizzazione della forma alternativa sotto la luce ultravioletta blocca quei collegamenti.
Una volta impostate le due forme programmate, il materiale può quindi trasformarsi avanti e indietro quando, ad esempio, è riscaldato o raffreddato.
I ricercatori hanno dovuto trovare una miscela di polimeri che potesse essere stampata in un bagno di catalizzatore e mantenere ancora la sua forma programmata originale.
"C'erano molti parametri che dovevamo ottimizzare:dai solventi e dal catalizzatore utilizzati, al grado di gonfiore, e formula dell'inchiostro:per consentire all'inchiostro di solidificarsi abbastanza rapidamente da stampare senza inibire l'attuazione della forma finale desiderata, " ha detto Barnes.
Un grafico mostra il processo mediante il quale un laboratorio della Rice University utilizza la stampa 3D per realizzare materiali mutaforma che possono essere utili per realizzare robot morbidi o come impianti biomedici. Credito:Laboratorio Verduzco/Università del riso
Un limite rimanente del processo è la capacità di stampare strutture non supportate, come colonne. Per farlo sarebbe necessaria una soluzione che geli quanto basta per sostenersi durante la stampa, lei disse. L'acquisizione di tale capacità consentirà ai ricercatori di stampare combinazioni di forme molto più complesse.
"Il lavoro futuro ottimizzerà ulteriormente la formula di stampa e utilizzerà tecniche di stampa assistite da scaffold per creare attuatori che passano tra due diverse forme complesse, " Ha detto Barnes. "Questo apre le porte alla stampa di robot morbidi che potrebbero nuotare come una medusa, salta come un grillo o trasporta liquidi come il cuore."
