Un nuovo metodo di stampa 3D semplificherà la produzione e il controllo della forma dei robot morbidi, muscoli artificiali e dispositivi indossabili. I ricercatori della UC San Diego mostrano che controllando la temperatura di stampa dell'elastomero a cristalli liquidi, o LCE, possono controllare il grado di rigidità e la capacità di contrarsi del materiale, noto anche come grado di attuazione. Cosa c'è di più, sono in grado di modificare la rigidità di diverse aree dello stesso materiale esponendolo al calore.

Come prova del concetto, i ricercatori hanno stampato in 3D in una singola stampa, con un solo inchiostro, strutture la cui rigidità e attuazione varia per ordini di grandezza, dallo zero al 30 per cento. Per esempio, un'area della struttura LCE può contrarsi come i muscoli; e un altro può essere flessibile, come i tendini. La svolta è stata possibile perché il team ha studiato da vicino LCE per comprendere meglio le sue proprietà del materiale.

Il gruppo, guidato da Shengqiang Cai, un professore nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering, dettaglia il loro lavoro nel numero del 25 settembre di Progressi scientifici .

I ricercatori sono stati ispirati a creare questo materiale con diversi gradi di attuazione da esempi in biologia e natura. Oltre alla combinazione di muscoli e tendini, i ricercatori hanno preso spunto dal becco del calamaro, che è estremamente rigido in punta ma molto più morbido e malleabile dove si raccorda alla bocca del calamaro.

"La stampa 3D è un ottimo strumento per realizzare così tante cose diverse, ed è ancora meglio ora che possiamo stampare strutture che possono contrarsi e irrigidirsi come desiderato sotto determinati stimoli, in questo caso, calore, " ha detto Zijun Wang, il primo autore del documento e un dottorato di ricerca. studente nel gruppo di ricerca di Cai.

Comprensione delle proprietà dei materiali

Per capire come mettere a punto le proprietà dei materiali di LCE, i ricercatori hanno prima studiato il materiale molto da vicino. Hanno determinato che il filamento LCE stampato è costituito da un guscio e un nucleo. Mentre il guscio si raffredda rapidamente dopo la stampa, diventando più rigido, il nucleo si raffredda più lentamente, rimanendo più malleabile.

Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di determinare come variare diversi parametri nel processo di stampa, soprattutto temperatura, per mettere a punto le proprietà meccaniche di LCE. In poche parole, maggiore è la temperatura di stampa, quanto più flessibile e malleabile è il materiale. Mentre la preparazione dell'inchiostro LCE richiede alcuni giorni, la stampa 3D vera e propria può essere eseguita in appena 1 o 2 ore, a seconda della geometria della struttura da stampare.

"Sulla base della relazione tra le proprietà del filamento LCE e i parametri di stampa, è facile costruire strutture con proprietà materiali graduate, " disse Cai.

Variazione della temperatura alle strutture di stampa 3D

Per esempio, i ricercatori hanno stampato un disco LCE a 40 gradi C (104 F) e lo hanno riscaldato fino a 90 gradi C (194 F) in acqua calda. Il disco si è deformato in una forma conica. Ma un disco LCE composto da aree che vengono stampate a temperature diverse (40, poi 80 e poi 120 gradi Celsius, Per esempio), deformato in una forma completamente diversa quando riscaldato.

I ricercatori hanno anche stampato in 3D strutture costituite da due strati di LCE con proprietà diverse e hanno dimostrato che ciò dava al materiale ancora più gradi di libertà di attuazione. I ricercatori hanno anche stampato strutture reticolari con il materiale, che potrebbe essere utilizzato in applicazioni mediche.

Finalmente, come prova del concetto, il team ha stampato in 3D un tubo LCE che aveva messo a punto durante la stampa 3D e ha dimostrato che poteva aderire a una lastra di vetro rigida molto più a lungo se attivato ad alte temperature, circa 94 C (201 F), rispetto a un normale tubo LCE con proprietà omogenee. Ciò potrebbe portare alla produzione di piedini robotici e pinze migliori.

L'attivazione del materiale potrebbe essere attivata non solo in acqua calda, ma anche infondendo LCE con particelle o particelle sensibili al calore che assorbono la luce e la convertono in calore, qualsiasi cosa, dalla polvere di inchiostro nero al grafene. Un altro meccanismo sarebbe quello di stampare in 3D le strutture con fili elettrici che generano calore incorporato in LCE.

I passaggi successivi includono la ricerca di un modo per regolare le proprietà del materiale in modo più preciso ed efficiente. I ricercatori stanno anche lavorando per modificare l'inchiostro in modo che le strutture stampate possano essere auto-riparabili, riprogrammabile, e riciclabile.