Заимствуя технику у струйных принтеров, исследователи из Princeton Engineering развернули попиксельный метод программирования и производства мягких структур для использования в робототехнике, биомедицинских устройствах или архитектурных элементах.

Новая техника создает пиксельные листы мягкого материала так же легко, как нажатие кнопки. Каждый пиксель может быть запрограммирован уникальным образом для создания составных форм, цветов и механических свойств. И он работает с классом материалов — отверждаемых эластичных полимеров, которые нельзя печатать с помощью обычных струйных принтеров или 3D-принтеров.

«Преимуществом здесь является простота методологии. Все, что вам нужно, — это две пластины с кучей отверстий», — сказал Пьер Томас Брун, доцент кафедры химической и биологической инженерии. Материалы начинаются как жидкости, которые после осаждения превращаются в твердые тела. Ключ в том, как жидкости текут, когда они затвердевают. Глубокое понимание этого поведения привело к тому, что команда Бруна изготовила эти композитные материалы без использования сложного оборудования. Вместо этого они позволяют природе делать свою работу.

Брун сказал, что новый подход, который применяет древнюю гидродинамику к современной проблеме материалов, позволяет снизить затраты, не срезая углы. «Вы получите очень точную структуру», — сказал он. «Этот скромный подход не является компромиссом в отношении качества».

Команда опубликовала свои выводы 22 мая в журнале Advanced Materials, расширив аддитивное производство на новые области материалов, которые особенно полезны в биологически вдохновленных конструкциях.

Простой подход со сложным потенциалом

Пиксели в струйном принтере используют четыре цвета капель для создания миллионов видимых оттенков. В зависимости от того, как они расположены на бумаге, эти точки могут быть превращены в множество фигур, от простых букв до сложных деревьев.

Ученые хотели сделать что-то подобное с мягкими композитными материалами . «Если вам нужен материал, который хорошо взаимодействует с людьми, он должен быть мягким», — сказал Брун. Но липкие жидкости, превращающиеся в эластичные твердые тела, оказались слишком вязкими для струйных принтеров и слишком податливыми для 3D-принтеров. Новый подход находит способ работать с неотъемлемыми свойствами отверждаемых эластичных полимеров, таких как силиконовый каучук, и может быть расширен для работы с некоторыми жидкими металлами и расплавленным стеклом.

«Эта простая и универсальная техника открывает множество путей для разработки «мягких роботов», по крайней мере, для быстрого прототипирования», — сказал Хосе Бико, физик из ESPCI-Paris, не участвовавший в исследовании.

«Иногда вам кажется, что вам нужно делать очень сложные вещи, — добавил Бико, — но на практике работают очень простые вещи».

Когда вы кладете соломинку в стакан с водой, и вода поднимается по соломинке, это происходит благодаря капиллярному действию, при котором жидкость течет в узкое пространство. В данном случае это узкое пространство представляет собой тонкий слой между двумя акриловыми пластинами. Когда исследователи опускали образец жидкости в отверстия в верхней пластине, она просачивалась в пространство между пластинами математически предсказуемым образом. Жидкости растекались и со временем соприкасались друг с другом, формируя края каждого пикселя.

Из-за своей медовой вязкости пиксели не смешивались. Более того, без воздуха между ними жидкости, по сути, сливались вместе, создавая геометрические элементы, сказал Брун. Затем материал затвердевал в течение нескольких минут при температуре окружающей среды, создавая лист мягкой пиксельной эластичной ткани.

В качестве доказательства своей концепции исследователи использовали цвет для создания различных составных изображений — буквы «P» в стиле Принстона и фигуры, вдохновленной Space Invaders, новаторской аркадной игрой. Тот же принцип можно применить к пикселям с различными механическими или магнитными свойствами , что приведет к обширным новым применениям в мягкой робототехнике, медицинских устройствах и других областях.

«Вы можете легко выбрать область, в которую вы добавляете магнитные частицы, чтобы когда лист был составлен, у него были области, которые можно было бы активировать с помощью магнитов», — сказал соавтор Кристофер Ушай, доктор философии. кандидат в лаборатории Бруна.

Реверс-инжиниринг вековой проблемы

Чтобы определить, где разместить дыры при создании дизайна, они позаимствовали математический прием из анализа изображений, называемый преобразованием водораздела. Представьте речные бассейны на топографической карте: если вы затопите местность, в какой речной бассейн потечет вода? Исследователи использовали ту же идею, чтобы определить, куда будут течь полимеры, прежде чем они вступят в контакт. Но поскольку они использовали полимеры с разной вязкостью, они текут с разной скоростью. «Это продвинет трансформацию водораздела немного дальше», — сказал Ушай. «Вы больше не выполняете трансформацию по отношению к пространству, но также и по отношению ко времени».

Исследователи смогли создать различные узоры, называемые мозаиками Вороного, в зависимости от того, сколько отверстий они использовали и расстояние между ними. Например, используя четыре отверстия, они могли создавать квадратные узоры, а используя шесть источников — треугольники.

«Удивительно то, насколько хорошо это работает», — сказал Брун. «Если мы не начнем идеально синхронизированным образом, вы можете подумать, что мы получим немного кривую схему. Но это не так. Вещи наверстывают упущенное. Это очень важно для надежности подхода. »

Будущие исследования будут посвящены тому, как складывать тонкие пиксельные листы в созданные воксели или объемные пиксели. «Мы получаем эти очень тонкие листы», — сказал Брун. «Но мы сделаны из 3D-материалов».

По словам Бруна, Национальный научный фонд был одним из спонсоров работы в рамках усилий по поиску экологических подходов к производству. Используя преимущества природных свойств, эта технология требует меньше энергии, поскольку ее можно использовать при комнатной температуре, и для ее работы не требуется специальное здание.

Этот метод также может быть расширен для архитектурных сооружений, таких как мосты и арки, или уменьшен для применения к микроскопическим структурам.

Мохамед Бадауи, бывший студент VSRC; Грейс Кресдж, студентка CBE, работающая над своей дипломной работой; и Жоэль Мартелот, бывший научный сотрудник лаборатории Бруна, который сейчас работает в Экс-Марсельском университете во Франции, также внес свой вклад в исследование.