Istraživači EPFL-a ciljaju na sledeću generaciju mekih pokretača i robota sa mastilom na bazi elastomera za 3D štampanje objekata sa lokalno promenljivim mehaničkim svojstvima, eliminišući potrebu za glomaznim mehaničkim spojevima.
Za inženjere koji rade na mekoj robotici ili nosivim uređajima, održavanje stvari laganim je stalni izazov: teži materijali zahtevaju više energije da se kreću, a – u slučaju nosivih uređaja ili proteza – izazivaju nelagodnost.
Elastomeri su sintetički polimeri koji se mogu proizvesti sa nizom mehaničkih svojstava, od krutih do rastezljivih, što ih čini popularnim materijalom za takve primene. Ali proizvodnja elastomera koji se mogu oblikovati u složene 3D strukture koje prelaze od krutih do gumenih do sada je bila neizvodljiva.
„Elastomeri se obično izlivaju tako da se njihov sastav ne može promeniti u sve tri dimenzije na skalama kratke dužine. Da bismo prevazišli ovaj problem, razvili smo DNGE: 3D štampane dvostruke mrežne granularne elastomere koji mogu da menjaju svoja mehanička svojstva do stepena bez presedana“, kaže Esther Amstad, šef Laboratorije za meke materijale u EPFL-ovoj školi inženjeringa.
Eva Baur, dr. student u Amstadovoj laboratoriji, koristio je DNGE za štampanje prototipa „prsta“, zajedno sa krutim „kostima“ okruženim fleksibilnim „mesom“. Prst je odštampan da se deformiše na unapred definisan način, demonstrirajući potencijal tehnologije za proizvodnju uređaja koji su dovoljno fleksibilni da se savijaju i rastežu, dok su ostali dovoljno čvrsti da manipulišu objektima.
Sa ovim prednostima, istraživači veruju da DNGE mogu olakšati dizajn mekih aktuatora, senzora i nosivih uređaja bez teških, glomaznih mehaničkih spojeva. Istraživanje je objavljeno u časopisu Napredni materijali.
Ključ svestranosti DNGE leži u projektovanju dve elastomerne mreže. Prvo, mikročestice elastomera se proizvode od kapi emulzije ulje u vodi. Ove mikročestice se stavljaju u rastvor prekursora, gde apsorbuju jedinjenja elastomera i nabubre.
Nabrekle mikročestice se zatim koriste za pravljenje 3D mastila za štampanje, koje se ubacuje u bioštampač da bi se stvorila željena struktura. Prekursor je polimerizovan unutar 3D štampane strukture, stvarajući drugu elastomernu mrežu koja učvršćuje ceo objekat.
Dok sastav prve mreže određuje krutost strukture, druga određuje njenu žilavost na lomljenje, što znači da se dve mreže mogu fino podesiti nezavisno da bi se postigla kombinacija krutosti, žilavosti i otpornosti na zamor.
Upotreba elastomera u odnosu na hidrogelove — materijala koji se koristi u najsavremenijim pristupima — ima dodatnu prednost u stvaranju struktura koje su bez vode, što ih čini stabilnijim tokom vremena. Povrh svega, DNGE se mogu štampati pomoću komercijalno dostupnih 3D štampača.
„Lepota našeg pristupa je u tome što svako ko ima standardni bioštampač može da ga koristi“, naglašava Amstad.
Jedna uzbudljiva potencijalna primena DNGE-a je u uređajima za rehabilitaciju vođenu pokretom, gde bi sposobnost da se podrži kretanje u jednom pravcu dok ga ograničava u drugom mogla biti veoma korisna.
Dalji razvoj DNGE tehnologije mogao bi rezultirati protetikom, pa čak i vodičima za kretanje kao pomoć hirurzima. Osećavanje daljinskih pokreta, na primer u žetvi useva uz pomoć robota ili podvodnom istraživanju, je još jedna oblast primene.
Amstad kaže da Laboratorija za meke materijale već radi na sledećim koracima ka razvoju takvih aplikacija integracijom aktivnih elemenata — kao što su materijali koji reaguju i električne veze — u DNGE strukture.
