Filamentele de mușchi artificiali inspirate din natură se îndoaie și se răsucesc la variații de temperatură
Natura este plină de filamente subțiri care se îndoaie și se răsucesc – de la vițele de vie care se cățără, la proteinele pliate sau la trompele de elefant care pot ridica o arahidă, dar și doborî un copac.
Cercetătorii de la Harvard, dorind să ofere materialelor sintetice un control fizic inspirat din natură, au dezvoltat o strategie de imprimare 3D care transformă filamentele moi, asemănătoare părului, în „mușchi artificiali” programabili, care se îndoaie, se răsucesc, se extind sau se contractă atunci când sunt încălzite sau răcite. Aceasta reprezintă un pas inovator în recrearea complexității mușchilor biologici, care sunt compuși dintr-un pachet de fibre ce colaborează pentru a produce mișcări intricate.
Descoperirea provine din laboratorul lui Jennifer Lewis, profesor Hansjorg Wyss de Inginerie Inspirată Biologic în cadrul Școlii de Inginerie și Științe Aplicate John A. Paulson, și este descrisă în Proceedings of the National Academy of Sciences, de autorul principal și cercetător postdoctoral Mustafa Abdelrahman și colegii săi.
În cadrul studiului, cercetătorii au folosit o tehnică dezvoltată în laboratorul lui Lewis, numită imprimare 3D multimaterială rotativă, pentru a imprima filamente unice compuse din componente care își schimbă forma și componente care nu o fac, denumite materiale active și pasive. Materialul activ este un elastomer din cristal lichid, un tip special de polimer care a stârnit interesul cercetării ca potențial candidat pentru mușchii artificiali, deoarece se „contractă” într-o direcție preferată atunci când este încălzit peste o anumită temperatură de tranziție.
Materialul pasiv este un elastomer moale care își menține forma în ciuda schimbărilor de temperatură și a cărui rigiditate acționează ca un ghid pentru mișcarea mecanică. Prin extrudarea ambelor materiale, unul lângă altul, printr-un nozzle rotativ, cercetătorii pot plasa regiunile active și pasive exact unde își doresc, pe întreaga secțiune transversală a filamentului.
Deoarece elastomerul cristalin lichid se micșorează pe direcția de aliniere moleculară internă atunci când este încălzit, iar materialul pasiv nu se micșorează, chiar și un filament simplu din două straturi se îndoaie pe măsură ce o parte se scurtează, iar cealaltă rezistă. Rotirea nozzle-ului în timpul imprimării „scrie” efectiv o aliniere helicoidală a moleculelor active în filament.
Rezultatul este un filament cu o curbură și o răsucire naturală preprogramată atunci când este activat, fără a necesita asamblarea mai multor straturi sau procesare mecanică ulterioară.
Înainte de a se alătura laboratorului lui Lewis, Abdelrahman a creat foi din elastomeri cristalini lichid prin metode mai complexe pentru a le extrage proprietățile și dorea să exploreze procese mai personalizabile. „Am văzut această platformă de imprimare 3D rotativă cu adevărat frumoasă și m-am gândit: ‘Ce-ar fi dacă am conecta materiale active și le-am modela în filament – putem genera astfel schimbări de formă?’”
Pentru a valida și prezice comportamentul materialelor, echipa a colaborat strâns cu profesorul L. Mahadevan, a cărui grupă se specializează în mecanica structurilor naturale, și cu profesorul Joanna Aizenberg, laboratorul căreia a ajutat la caracterizarea aliniamentului molecular al elastomerilor cristalini lichid folosind măsurători de dispersie cu raze X efectuate la Laboratorul Național Brookhaven.
Odată ce cercetătorii au putut programa comportamentul de schimbare a formei unui singur filament, au folosit aceste filamente ca blocuri de construcție pentru structuri mai complexe, realizând filamente sinusoidale – fire ondulate care, deși arată identice inițial, se deformează foarte diferit în funcție de locul în care este plasat elastomerul activ. Când elastomerul cristalin lichid este imprimat pe exteriorul curburii undei, încălzirea determină filamentul să se îndrepte și să se extindă. Dar când elastomerul activ se află pe interior, același stimul termic face ca filamentul să se micșoreze și să se contracte.
Prin împletirea acestor celule unitate în lattice plate, echipa a demonstrat potențialul unor filtre active – lattice-uri care, atunci când sunt încălzite, se deschid pentru a permite trecerea particulelor sferice, iar când sunt răcite, se contractă pentru a le captura sau susține. De asemenea, au realizat un tip de gripper care poate fi așezat liber – lattice-uri autonome care pot fi coborâte pe mai multe bare, încălzite pentru a le prinde și ridica, apoi răcite pentru a elibera barele.
Într-un experiment, un lattice imprimat cu regiuni alternante de expansiune și contracție s-a transformat într-o formă asemănătoare unei dome atunci când a fost încălzit într-o baie de ulei, potrivind îndeaproape forma prezisă de simulări.
Echipa explorează scalarea tehnologiei. Cu nozzle-uri fabricate personalizat și cerneala atent reglată, au imprimat deja filamente cu un diametru de aproximativ 100 de microni și văd oportunități de a merge și mai mic.
„În ceea ce privește scalabilitatea, ai putea crea nozzle-uri mai complexe care să se integreze cu alte materiale în viitor – de exemplu, având un canal cu metal lichid pentru a permite actuația sau integrând alte funcționalități,” a spus studentul absolvent și co-autor Jackson Wilt.
Deși elastomerii cristalini lichid încep să apară doar acum în produsele industriale, aceștia sunt explorați activ pentru robotică moale, amortizarea energiei și dispozitive biomedicale.
„Această concepție de filament și cadrul de imprimare ar putea accelera tranziția materialelor asemănătoare mușchilor artificiali din laborator către tehnologii din lumea reală,” a declarat Lewis.
Aplițiile potențiale includ gripperi robotici moi reconfigurabili care pot manipula delicat mai multe obiecte simultan; filtre și valve active ale căror porozitate și căi de flux pot fi reglate cu temperatura; și filamente injectabile, împletite, care ar putea să se blocheze în loc pentru a forma structuri poroase cu suprafață mare – utile, de exemplu, în contexte biomedicale unde este necesară coagularea rapidă a țesutului biologic.
