25/01/2023
Door Ad Spijkers
Onderzoekers maken spiraalvormige filamenten voor zachte robotica en structurele composieten door roterend multimateriaal printen.
Materialen in de natuur zijn zelden recht. Planten veranderen van vorm omdat cellulosevezels spiraalvormig binnen hun celwanden zijn gerangschikt. In ons lichaam assembleren eiwitten zich tot spiraalvormige filamenten waardoor onze spieren kunnen samentrekken.
Wetenschappers die de spiraalvormige structuren die biologische systemen vormen willen nabootsen, moeten nieuwe hulpmiddelen creëren. Ze moeten die verschillende materialen nauwkeurig kunnen modelleren met programmeerbare lokale samenstelling, architectuur en eigenschappen.
3D printmethode
Onderzoekers aan Harvard University in Cambridge (Massachusetts) hebben een roterende multimateriaal 3D-printmethode ontwikkeld voor het maken van spiraalvormige filamenten. Met behulp van deze nieuwe aanpak ontwierp en fabriceerde het ontwikkelteam kunstmatige spieren en verende roosters voor gebruik in zachte robotica en structurele toepassingen.
De printkop bestaat uit vier inktpatronen, die elk verschillende materialen kunnen bevatten. De inkten worden vervolgens door een complexe spuitmond gevoerd waarmee meerdere materialen tegelijkertijd kunnen worden bedrukt. Terwijl het mondstuk draait en transleert, vormen de geëxtrudeerde inkten een filament met ingebedde spiraalvormige kenmerken.
Door roterend printen van meerdere materialen kunnen de onderzoekers functionele spiraalvormige filamenten en structurele roosters genereren met nauwkeurig gecontroleerde architectuur en uiteindelijk prestaties. Het platform voor additive manufacturing opent daarmee nieuwe wegen voor het genereren van multifunctionele architectonische materie in bio-geïnspireerde motieven.
Toepassingen
Het onderzoekersteam printte kunstmatige spieren in de vorm van spiraalvormige diëlektrische elastomeer actuatorfilamenten die kunnen samentrekken onder een aangelegde spanning. De geleidende elektroden vormen ineengestrengelde spiralen, ingekapseld in een zachte elastomeermatrix. Door af te stemmen hoe strak die spiraalvormige elektroden zijn opgerold, kan men de contractiele respons van deze actuatoren programmeren.
Het team ontwierp ook structuurroosters met variërende stijfheid door stijve spiraalveren in te bedden in een zachte, soepele matrix, zoals metalen veren in een zacht matras. De algehele stijfheid van het materiaal kan worden afgestemd door de strakheid van de veren in de matrix af te stemmen. Deze instelbare spiraalvormige structuren kunnen worden gebruikt om verbindingen of scharnieren te maken in zachte robotsystemen.
Vervolgens wil het team de mogelijkheden van deze nieuwe 3D-printmethode benutten om nog complexere structuren te creëren. Door spuitkoppen met extremere interne kenmerken te ontwerpen en te bouwen, kunnen de resolutie, complexiteit en prestaties van deze hiërarchische bio-geïnspireerde structuren verder worden verbeterd.