Новая мягкая конструкция, изготовленная аддитивным способом, способна видоизменяться, расширяясь либо сокращаясь под воздействием повышенной температуры. Специалисты проверили данную технологию на плоских и объёмных образцах.
Евгения Васильева
Иллюстративное изображение гибкого пластикового листа. Источник фото: Getty Images
Группа учёных из Южной Кореи представила оригинальный подход к трёхмерной печати, благодаря которому эластичные механизмы, созданные из единого материала, могут менять свои размеры при нагреве.
Работу выполнили сотрудники Пусанского национального университета совместно с коллегами из Окриджской национальной лаборатории, расположенной в американском штате Теннесси. Им удалось получить жидкокристаллический эластомер, пригодный для печати на 3D-принтере, причём ориентацию его молекул можно задавать непосредственно в процессе создания изделия.
Изменяя параметры печати, в частности скорость движения печатающей головки или температурный режим, авторы проекта научились управлять реакцией материала на нагрев. Исследователи полагают, что такая разработка найдёт применение в мягкой робототехнике, при создании искусственных мускулов, носимых гаджетов и иных устройств с изменяемой геометрией.
По словам Сук-Кюна Ана, профессора университета и научного руководителя проекта, их работа впервые демонстрирует возможность переключения молекулярной ориентации между двумя взаимно перпендикулярными направлениями с помощью тех же самых чернил для 3D-печати на основе смектических жидких кристаллов, при этом достаточно лишь скорректировать скорость и температуру.
Управление перемещением
Мягкие исполнительные элементы представляют собой материалы либо устройства, которые умеют изгибаться, вытягиваться, сжиматься или иным образом изменять свою форму при воздействии внешних факторов. Жидкокристаллические эластомеры хорошо подходят для подобных задач, так как их молекулярная структура способна перестраиваться, например, под влиянием тепла.
Однако при классической экструзионной 3D-печати молекулы внутри каждой отдельной нити обычно выстраиваются в едином направлении. Это приводит к тому, что каждая нить может деформироваться лишь в одну сторону. Для преодоления такого ограничения исследователи применили смектические чернила на основе жидких кристаллов, которые позволяют менять ориентацию молекул прямо во время печатного процесса.
Регулировка условий создания изделия заставляла молекулы выстраиваться в одном из двух перпендикулярных направлений. Именно от этого зависело, будет ли конечный продукт расширяться или сокращаться под воздействием тепла. Принципиально важно, что оба типа движения достигались благодаря использованию одного и того же печатного материала, а не различных составов для разных типов деформации.
Авторы отмечают, что в отличие от традиционной технологии печати жидкокристаллическими эластомерами, где ориентация молекул жёстко привязана к направлению печати, их новый метод опирается на особое свойство смектических жидкокристаллических чернил, позволяющее менять эту ориентацию.
Открытие южнокорейских и американских исследователей знаменует собой не просто очередной шаг в совершенствовании аддитивных технологий, а концептуальный сдвиг в понимании того, чем может быть напечатанный объект. Традиционная 3D-печать, как правило, создает статичные структуры, чья геометрия неизменна после завершения процесса.
Исследователи разработали жидкий кристаллический эластомер, который можно напечатать на 3D-принтере и запрограммировать на растяжение или сжатие, изменив условия печати. Источник: PR Newswire
Новый подход с использованием смектических жидкокристаллических чернил наделяет изделия внутренней «программой», заложенной на молекулярном уровне. Это означает, что инженеры получают возможность проектировать не просто деталь, а своего рода механизм, который начинает работать сразу после того, как его сняли со стола принтера.
При этом ключевым преимуществом является моно-материальность: для получения сложных деформаций — сжатия в одном месте и расширения в другом — больше не требуется собирать объект из разных компонентов или использовать композитные составы.
Объекты с программируемой формой
Чтобы детально разобраться в процессах, научный коллектив объединил метод прямой печати чернилами с несколькими экспериментальными и расчётными подходами. Среди них — реологические измерения, позволяющие оценить текучесть чернил, широкоугольное рентгеновское рассеяние для анализа молекулярного строения, а также компьютерное моделирование с использованием методов молекулярной динамики.
После этого исследователи напечатали с помощью нового материала как плоские, так и объёмные структуры с заранее заданными движениями. В их число вошли решётчатые конструкции, изогнутые элементы и поверхности, способные менять свой рельеф. Кроме того, напечатанные изделия демонстрировали стабильную работу в течение многократных циклов нагрева и охлаждения.
Потенциал такого подхода особенно ярко раскрывается в контексте мягкой робототехники. Традиционные роботы, построенные на жестких шарнирах и сервоприводах, громоздки и опасны для взаимодействия с человеком. Мягкие же аналоги, созданные из эластомеров, способны двигаться плавно и адаптивно, подобно мышцам живых существ.
Предложенная технология позволяет изготавливать таких роботов целиком за один цикл печати, закладывая в них необходимые паттерны движения. Представьте себе захват, который при нагревании от тепла объекта сжимается, обволакивая его, или щупальце, которое изгибается в нужную сторону в ответ на изменение температуры окружающей среды.
Это открывает дорогу к созданию автономных систем, которые не требуют сложной электроники и системы приводов для выполнения простых, но важных действий.
Возможность закладывать противоположные типы движения в один и тот же материал может существенно упростить создание мягких механизмов с более разнообразным поведением. Среди потенциальных практических областей применения Ан назвал мягкие роботизированные приводы и искусственные мышцы, перестраиваемые поверхности для тактильных дисплеев, а также адаптивные текстуры, способные влиять на аэродинамическое сопротивление.
4-ехмерная печать и сферы применения метода
По мнению участников проекта, разработанная технология способна также продвинуть область четырёхмерной печати, где напечатанные на 3D-принтере объекты после изготовления самостоятельно меняют свою форму или функциональные характеристики.
Если трехмерная печать добавляет формообразование, то четвертым измерением здесь выступает время. Изделия, созданные по новой методике, являются самотрансформирующимися: они способны менять свою геометрию и функциональность после завершения печати в ответ на внешние стимулы.
Это открывает фантастические перспективы для логистики и строительства. Можно представить плоские панели, которые при доставке на место и нагреве самостоятельно собираются в объемную конструкцию, или временные каркасы, которые сжимаются при добавлении тепла для удобной транспортировки. Это радикально меняет подход к доставке крупногабаритных объектов, позволяя перевозить их в компактном виде и «активировать» на месте.
Помимо мягкой робототехники, разработка сулит значительные прорывы в области носимых устройств и тактильных интерфейсов. Современные умные ткани и браслеты часто ограничены своей статичной формой. Новая технология позволяет создавать одежду или накладки, которые могут менять свою плотность, вентиляцию или даже рельеф поверхности в ответ на температуру тела или внешние условия.
Например, спортивная одежда, которая автоматически раскрывает поры для охлаждения при интенсивной нагрузке, или корсет для поддержки спины, который становится жестче при поднятии тяжести.
Для тактильных дисплеев, используемых в виртуальной реальности или для людей с ограниченным зрением, возможность динамически изменять рельеф поверхности из единого куска материала — это шаг к созданию более компактных и надежных устройств, лишенных множества мелких механических элементов.
Ан подчеркнул в пресс-релизе, опубликованном в PR Newswire, что в перспективе ближайших пяти-десяти лет подобные разработки могут привести к появлению напечатанных изделий, которые не просто сохраняют неизменную форму, а активно трансформируются и выполняют определённые задачи. Эту мысль он высказал в официальном сообщении для прессы.
И это заявление профессора Ана выглядит реалистично. Хотя технология находится на стадии лабораторных исследований, ее фундаментальная простота — управление скоростью и температурой печати — значительно упрощает масштабирование.
Следующим шагом для исследователей станет повышение точности управления деформацией, а также поиск способов задания нескольких различных точек переключения в пределах одного слоя.
Кроме того, предстоит решить вопросы долговечности и усталости материала при тысячах циклов нагрева и охлаждения.
Тем не менее, сам факт создания единого материала, который может «вбирать» в себя логику движения, указывает на то, что мы стоим на пороге новой эры в материаловедении, где сама структура вещи будет заключать в себе ее способность к действию. Результаты работы были опубликованы в научном журнале Nature Communications.
.