Создаются биомедицинские, энергетические и робототехнические устройства с помощью 3D-печати
Исследователь из Университета штата Орегон помог создать новый подход к 3D-печати для изменяющих форму материалов, которые можно сравнить с мышцами, что открывает возможности для усовершенствованных приложений в робототехнике, а также в биомедицинских и энергетических устройствах.
Жидкокристаллические эластомерные структуры, напечатанные Девином Роучем из Инженерного колледжа OSU и его коллегами, могут ползать, складываться и защелкиваться сразу после печати. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials .
«LCE — это, по сути, мягкие двигатели», — сказал Роуч, доцент кафедры машиностроения. «Поскольку они мягкие, в отличие от обычных двигателей, они отлично работают с нашими изначально мягкими телами. Поэтому их можно использовать в качестве имплантируемых медицинских устройств, например, для доставки лекарств в целевые места, в качестве стентов для процедур в целевых областях или в качестве уретральных имплантатов, помогающих при недержании».
Жидкокристаллические эластомеры — это слабосшитые полимерные сети, которые способны значительно менять форму под воздействием определенных стимулов, таких как тепло. Их можно использовать для преобразования тепловой энергии, например, от солнца или переменного тока, в механическую энергию , которую можно хранить и использовать по требованию. LCE также могут играть большую роль в области мягкой робототехники, добавил Роуч.
«Гибкие роботы, включающие LCE, могли бы исследовать области, которые небезопасны или непригодны для людей», — сказал он. «Также было показано, что они перспективны в аэрокосмической отрасли в качестве приводов для автоматизированных систем, таких как системы захвата в глубоком космосе, развёртывания радаров или исследования внеземных цивилизаций».
По словам Роуча, в основе функциональной полезности жидкокристаллических эластомеров лежит сочетание их анизотропии и вязкоупругости.
Анизотропия относится к свойству быть зависимым от направления, например, как древесина прочнее вдоль волокон, чем поперек, а вязкоупругие материалы являются как вязкими — как мёд, который сопротивляется течению и медленно деформируется под нагрузкой, — так и эластичными, возвращаясь к своей первоначальной форме после снятия нагрузки, как резина. Вязкоупругие материалы медленно деформируются и постепенно восстанавливаются.
Свойства изменения формы жидкокристаллических эластомеров зависят от выравнивания молекул внутри материалов. Роуч и его коллеги из Гарвардского университета, Университета Колорадо и национальных лабораторий Сандия и Лоуренс Ливермор открыли способ выравнивания молекул с помощью магнитного поля во время типа 3D-печати, называемого цифровой обработкой света.
Также известная как аддитивное производство, 3D-печать позволяет создавать объекты по одному слою за раз. В цифровой обработке света свет используется для затвердевания жидкой смолы в твердые формы с точностью. Однако выровнять молекулы эластомеров может быть непросто.
«Выравнивание молекул — это ключ к раскрытию полного потенциала LCE и возможности их использования в передовых функциональных приложениях», — сказал Роуч.
Роуч и другие исследователи варьировали силу магнитного поля и изучали, как оно и другие факторы, такие как толщина каждого напечатанного слоя, влияли на молекулярное выравнивание. Это позволило им печатать сложные формы жидкокристаллического эластомера, которые изменяются определенным образом при нагревании.
«Наша работа открывает новые возможности для создания современных материалов , которые реагируют на раздражители полезным образом, что потенциально может привести к инновациям во многих областях», — сказал Роуч.
В смежном исследовании, опубликованном в журнале Advanced Engineering Materials , Роуч руководил группой студентов Орегонского университета и сотрудников из Сандиа, Лоуренса Ливермора и Технического университета Навахо, изучавших потенциал механического демпфирования жидкокристаллических эластомеров.
Механическое демпфирование подразумевает уменьшение или рассеивание энергии вибраций или колебаний в механических системах, включая автомобильные амортизаторы, сейсмические демпферы, которые помогают защищать здания от землетрясений, и виброгасители на мостах, которые минимизируют колебания, вызванные ветром или транспортными средствами.
Студенты Университета штата Огайо Адам Бишофф, Картер Бокатт и Максим Соркин, а также другие исследователи продемонстрировали, что метод изготовления, известный как прямая 3D-печать чернилами, позволяет создавать механические демпфирующие устройства, которые эффективно рассеивают энергию в широком диапазоне скоростей нагрузки.
Ведёт расследования о коррупции в любых эшелонах власти
