توسعه محرک های مواد نرم با چاپ سه بعدی که می توانند ماهیچه های واقعی را تقلید کنند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان Empa در حال کار بر روی تولید ماهیچه‌های مصنوعی هستند که می‌توانند با چیز‌های واقعی همگام شوند. آنها اکنون روشی را برای تولید ساختار‌های نرم و الاستیک و در عین حال قدرتمند با استفاده از چاپ سه بعدی توسعه داده‌اند.

روزی می‌توان از آنها در پزشکی یا رباتیک استفاده کرد – و هر جای دیگری که با لمس یک دکمه چیز‌ها باید حرکت کنند. این کار در مجله Advanced Materials Technologies منتشر شده است.

ماهیچه‌های مصنوعی فقط ربات‌ها را به حرکت وادار نمی‌کنند: روزی می‌توانند از افراد در محل کار یا هنگام راه رفتن حمایت کنند یا بافت عضلانی آسیب دیده را جایگزین کنند. با این حال، توسعه ماهیچه‌های مصنوعی که می‌توانند با ماهیچه‌های واقعی مقایسه شوند، یک چالش فنی بزرگ است.

ماهیچه‌های مصنوعی برای همگام شدن با همتایان بیولوژیکی خود، نه تنها باید قدرتمند، بلکه الاستیک و نرم باشند. ماهیچه‌های مصنوعی در هسته خود به اصطلاح محرک هستند: اجزایی که تکانه‌های الکتریکی را به حرکت تبدیل می‌کنند. عملگر‌ها در هر جایی که چیزی با فشار یک دکمه حرکت می‌کند استفاده می‌شود، چه در خانه، چه در موتور خودرو یا در کارخانه‌های صنعتی بسیار توسعه یافته. با این حال، این اجزای مکانیکی سخت هنوز اشتراک زیادی با عضلات ندارند.

آشتی دادن تضاد‌ها

تیمی از محققان آزمایشگاه پلیمر‌های عملکردی امپا در حال کار بر روی محرک‌هایی هستند که از مواد نرم ساخته شده‌اند. اکنون آنها برای اولین بار روشی را برای تولید چنین اجزای پیچیده با استفاده از چاپگر سه بعدی توسعه داده‌اند.

محرک الاستیک دی الکتریک (DEA) از دو ماده مختلف بر پایه سیلیکون تشکیل شده است: یک ماده الکترود رسانا و یک دی الکتریک غیر رسانا. این مواد در لایه‌ها به هم متصل می‌شوند. پاتریک دانر، محقق Empa، توضیح می‌دهد: این کمی شبیه به هم زدن انگشتان است. اگر ولتاژ الکتریکی به الکترود‌ها اعمال شود، محرک مانند یک عضله منقبض می‌شود. هنگامی که ولتاژ خاموش می‌شود، به حالت اولیه خود شل می‌شود.

دانر می‌داند که چاپ سه بعدی چنین ساختاری بی اهمیت نیست. با وجود خواص الکتریکی بسیار متفاوت آنها، این دو ماده نرم باید در طول فرآیند چاپ بسیار مشابه رفتار کنند. آنها نباید مخلوط شوند، اما همچنان باید در محرک تمام شده با هم بمانند.

"ماهیچه های" چاپ شده باید تا حد امکان نرم باشند تا یک محرک الکتریکی بتواند تغییر شکل مورد نیاز را ایجاد کند. به این موارد الزاماتی اضافه شده است که همه مواد قابل چاپ سه بعدی باید رعایت کنند: آنها باید تحت فشار مایع شوند تا بتوانند از نازل چاپگر خارج شوند. با این حال، بلافاصله پس از آن، آنها باید به اندازه کافی چسبناک باشند تا شکل چاپ شده را حفظ کنند.

دانر می‌گوید: این ویژگی‌ها اغلب در تضاد مستقیم هستند. "اگر یکی از آنها را بهینه کنید، سه مورد دیگر تغییر می‌کنند... معمولاً بدتر. "

از دستکش VR تا قلب تپنده

با همکاری محققان ETH زوریخ، دانر و دورینا اوپریس، که رهبری گروه تحقیقاتی Functional Polymeric Materials را بر عهده دارد، موفق شده‌اند بسیاری از این ویژگی‌های متناقض را با هم تطبیق دهند. دو جوهر ویژه که در Empa توسعه یافته‌اند، با استفاده از نازلی که توسط محققان ETH Tazio Pleij و Jan Vermant ساخته شده است، در محرک‌های نرم کارآمد چاپ می‌شوند.

این همکاری بخشی از پروژه مقیاس بزرگ Manufhaptics است که بخشی از منطقه استراتژیک دامنه ETH Advanced Manufacturing است. هدف این پروژه توسعه دستکشی است که دنیای مجازی را ملموس می‌کند. ماهیچه‌های مصنوعی برای شبیه سازی گرفتن اجسام از طریق مقاومت طراحی شده‌اند.

با این حال، کاربرد‌های بالقوه بیشتری برای محرک‌های نرم وجود دارد. آنها سبک، بی صدا هستند و به لطف فرآیند جدید پرینت سه بعدی، می‌توانند در صورت نیاز شکل داده شوند. آنها می‌توانند جایگزین محرک‌های معمولی در ماشین ها، ماشین آلات و روباتیک شوند. اگر آنها حتی بیشتر توسعه یابند، می‌توانند برای کاربرد‌های پزشکی نیز استفاده شوند.

اوپریس و دانر در حال حاضر روی آن کار می‌کنند. فرآیند جدید آنها می‌تواند برای چاپ نه تنها اشکال پیچیده، بلکه برای چاپ الیاف الاستیک بلند نیز مورد استفاده قرار گیرد. اوپریس می‌گوید: «اگر بتوانیم آنها را کمی نازک‌تر کنیم، می‌توانیم به عملکرد واقعی فیبر‌های عضلانی نزدیک شویم. این محقق معتقد است که در آینده ممکن است بتوان یک قلب کامل را از این الیاف چاپ کرد. با این حال، هنوز کار‌های زیادی باید انجام شود تا چنین رویایی به واقعیت تبدیل شود.