Гарвардский университет напечатал на 3D-принтере микронные искусственные мышечные волокна, реагирующие на температуру

Репортаж от Wedoany，Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона Гарвардского университета (Harvard's John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) разработали метод 3D-печати, позволяющий создавать волокна тоньше человеческого волоса. Эти волокна могут изгибаться, скручиваться, расширяться или сжиматься в зависимости от температуры, функционируя как программируемые искусственные мышцы. Результаты опубликованы в журнале «Труды Национальной академии наук» (Proceedings of the National Academy of Sciences). Исследование проведено в лаборатории профессора биомиметической инженерии имени Хансйорга Висса (Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering) Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis), первым автором выступил постдокторант Мустафа Абдельрахман (Mustafa Abdelrahman).

Технология основана на ротационной многоматериальной платформе 3D-печати, разработанной в лаборатории Льюис. Платформа одновременно выдавливает два материала через вращающееся сопло: жидкокристаллический эластомер — активный материал, который при нагревании сжимается вдоль предпочтительного молекулярного направления, и инертный мягкий эластомер, сохраняющий форму независимо от температуры. Точное контролируя положение каждого материала в поперечном сечении волокна и вращая сопло в процессе печати, исследователи могут непосредственно вписать спиральную молекулярную ориентацию в волокно во время его формирования, полностью предопределяя поведение изменения формы на этапе изготовления, без необходимости последующей обработки или ручной сборки.

«Я увидел эту очень красивую ротационную платформу для 3D-печати и подумал: что, если мы добавим активный материал и структурируем его в волокне, сможем ли мы таким образом управлять изменением формы?» — сказал Абдельрахман.

Потенциал технологии проявился, когда команда использовала отдельные программируемые волокна в качестве строительных блоков для более сложных архитектур. Синусоидальные или волнистые волокна визуально идентичны, но демонстрируют противоположное поведение в зависимости от расположения активного материала: когда эластомер находится на внешней стороне волны, волокно выпрямляется и расширяется; когда на внутренней — волокно сжимается и сокращается.

На основе этих элементов исследователи собрали плоские решётки, которые открываются и закрываются при нагреве, функционируя как активные фильтры: при нагревании они пропускают частицы, а при охлаждении захватывают их. Такая решётка также может использоваться как захватное устройство типа «подними и положи», одновременно поднимая несколько стержней и отпуская их по мере необходимости. Решётка с чередующимися зонами расширения и сжатия при нагревании превращается в куполообразную структуру, что хорошо согласуется с компьютерными прогнозами. Валидация и моделирование проводились в сотрудничестве с профессором Л. Махадеваном (L. Mahadevan), специалистом по механике природных структур, а молекулярная ориентация была охарактеризована с помощью рентгеновского рассеяния в Брукхейвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory) в сотрудничестве с лабораторией профессора Джоанны Айзенберг (Joanna Aizenberg).

Команда уже напечатала волокна диаметром до 100 микрон и считает, что есть потенциал для дальнейшего уменьшения. «Что касается масштабируемости, в будущем можно будет изготавливать более сложные сопла, интегрируя другие материалы, например, добавляя каналы с жидким металлом для приведения в действие или интегрируя другие функции», — сказал аспирант и соавтор Джексон Уилт (Jackson Wilt).

Команда предусматривает такие применения, как реконфигурируемые мягкие захваты, регулируемые фильтры и клапаны, а также инъецируемые волокна, которые после введения в организм образуют пористую структуру, способствующую образованию тромбов, для использования в биомедицине. Как сказала Льюис: «Эта платформа для проектирования и печати волокон может ускорить переход материалов, подобных искусственным мышцам, из лаборатории в реальные технологии».

Гарвардская команда также указала на ограничения текущей системы. Миниатюризация является одним из прямых ограничений: разрешение сопла ограничено DLP-принтером для смол, используемым для изготовления индивидуальных коэкструзионных головок, что ограничивает размер элементов примерно 50 микронами. Уменьшение диаметра сопла с 1 мм до 0,5 мм успешно снизило диаметр волокна с 600 до 300 микрон, но ценой более низкой скорости печати при меньших масштабах, что снижает сдвиговую молекулярную ориентацию жидкокристаллического эластомера. Поскольку молекулярная ориентация является источником приведения в действие, существует прямая зависимость между миниатюризацией и производительностью.

Температурная зависимость является ещё одним практическим ограничением. Всё приведение в действие зависит от нагрева образца выше температуры нематико-изотропного перехода жидкокристаллического эластомера, которая при текущем составе чернил значительно превышает условия окружающей среды. Демонстрации проводились путём погружения решётки в нагретую силиконовую масляную ванну, что далеко от условий, необходимых для беспроводных, интегрированных в организм или соответствующих окружающей среде применений в мягкой робототехнике и биомедицине.

Среди авторов, внесших вклад в исследование, — Йонсу Чон (Yeonsu Jung), Родриго Тельес (Rodrigo Telles), Гурминдер К. Пейнк (Gurminder K. Paink) и Натали М. Ларсон (Natalie M. Larson). Финансирование было предоставлено Национальным научным фондом (National Science Foundation) через Гарвардский центр материаловедческих исследований и инженерии, а также Многопрофильной университетской исследовательской программой Армейского исследовательского управления. Экспериментальная работа проводилась в Гарвардском центре наномасштабных исследований и на синхротронном источнике Брукхейвенской национальной лаборатории при поддержке NSF и Министерства энергетики соответственно. Офис по передаче технологий Гарварда уже начал процесс защиты интеллектуальной собственности для этой фундаментальной инновации и изучает пути её вывода на рынок.

Это последнее достижение лаборатории Льюис является частью траектории исследований Гарварда в области программируемых мягких материалов. Более раннее исследование группы, проведённое Джексоном Уилтом и бывшим постдокторантом Натали Ларсон (Natalie Larson), использовало ту же ротационную многоматериальную платформу 3D-печати для создания структур мягкой робототехники со встроенными приводными траекториями, что указывает на применение в хирургической робототехнике и технологиях помощи человеку. Льюис и преподаватель Принстонского университета Эмили Дэвидсон (Emily Davidson) усовершенствовали науку об ориентации жидких кристаллов в процессе 3D-печати на основе экструзии, превратив этот процесс из экспериментального искусства в более точную и измеримую дисциплину, заложив основу для крупномасштабного надёжного производства материалов на основе жидкокристаллических эластомеров. Жидкокристаллические эластомеры сейчас привлекают внимание в области мягкой робототехники, демпфирования энергии и биомедицинской инженерии. Способность предварительно программировать изменение формы волокон во время печати устраняет ключевое препятствие на пути преобразования лабораторных результатов в пригодные для использования устройства.

Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com