Trójwymiarowy atrament magnetyczny MIT został stworzony do szybkiego przenoszenia obiektów

"Myślimy, że w biomedycynie ta technika znajdzie obiecujące zastosowania. Na przykład możemy umieścić strukturę wokół naczynia krwionośnego, aby kontrolować pompowanie krwi, lub użyć magnesu do prowadzenia urządzenia przez przewód pokarmowy w celu robienia zdjęć, pobierania próbek tkanek, usuwania blokady lub dostarczania określonych leków do określonego Lokalizacja. Możesz projektować, symulować, a następnie drukować, aby uzyskać różne funkcje "- wyjaśnił Xuanhe Zhao, profesor rozwoju kariery w Noyce w wydziałach MIT ds. Inżynierii mechanicznej oraz inżynierii lądowej i ochrony środowiska.

Struktury zostały utworzone przy użyciu nowy atrament do druku 3D, który jest nasycony drobnymi cząstkami magnetycznymi. Naukowcy umieścili elektromagnes wokół dyszy drukarki 3D, która, gdy atrament przechodzi przez nią, powoduje, że cząstki poruszają się w jednym kierunku. Tak więc, po prostu używając zewnętrznego pola magnetycznego do kontrolowania orientacji poszczególnych sekcji, drukowane urządzenia 3D i struktury mogą od razu przejść do złożonych, złożonych formacji, a nawet poruszać się.

Zespół opublikował wyniki w gazecie , zatytułowany "Drukowanie domen ferromagnetycznych dla niestabilizowanych szybko transformujących się miękkich materiałów" w czasopiśmie Nature. Projekt był częściowo finansowany przez Narodową Fundację Nauki, Biuro Badań Marynarki i Instytut Nanotechnologii Żołnierzy MIT. Współautorami są: Yoonho Kim, Hyunwoo Yuk i Ruike Zhao z MIT's Soft Active Materials Laboratory, Shawn A. Chester z New Jersey Institute of Technology oraz Zhao.

Streszczenie brzmi: "Tutaj przedstawiamy Drukowanie 3D zaprogramowanych domen ferromagnetycznych w miękkich materiałach, które umożliwiają szybką transformację pomiędzy złożonymi kształtami 3D poprzez uruchamianie magnetyczne. Nasze podejście opiera się na bezpośrednim pisaniu atramentem kompozytu elastomerowego zawierającego mikrocząstki ferromagnetyczne. Poprzez nałożenie pola magnetycznego na dyszę dozującą podczas drukowania, ponownie orientujemy cząsteczki wzdłuż stosowanego pola, aby nadać wzorzystej polarności magnetycznej włóknom drukowanym. "

Urządzenia hydrożelowe pęcznieją wraz ze zmianą temperatury lub pH, elastomery dielektryczne rozciągają się pod wpływem prądu elektrycznego Napięcia, pompowanie powietrza lub wody do urządzeń hydraulicznych mogą je uruchamiać, a polimery z pamięcią kształtu są zdolne do deformacji przez bodźce takie jak światło lub ciepło - wszystkie te, w tym magnetycznie aktywowane struktury MIT, znajdują się w kategorii urządzeń z miękkim uruchamianiem. Ale problemy wciąż obfitują - elastomery dielektryczne potrzebują wysokich napięć, urządzeń napędzanych powietrzem lubwoda jest nieefektywna do zastosowań zdalnych, a polimery kształtu i hydrożele z pamięcią kształtu mogą zmieniać godziny na kilka godzin.

Kim powiedział: "Nie ma idealnego kandydata na miękkiego robota, który mógłby wykonać w zamkniętej przestrzeni, jak ludzkie ciało, w którym chciałbyś wykonywać określone zadania bez przywiązania. Dlatego uważamy, że w tej idei magnetycznego uruchamiania jest wielka obietnica, ponieważ jest szybka, mocna, nieszkodliwa dla ciała i może być zdalnie sterowana. "

Podczas gdy inni pomyślnie stworzyli magnetycznie aktywowane materiały," udało się osiągnąć proste ruchy.

Yuk powiedział: "Ludzie stworzyli tylko struktury wydłużone, skurczone lub zgięte. Wyzwanie polega na tym, jak projektujesz strukturę lub robota, który może wykonywać znacznie bardziej skomplikowane zadania? "

Zespół MIT podjął wyzwanie i szukał sposobów na tworzenie domen magnetycznych. Zamiast tworzyć struktury z tymi samymi cząstkami magnetycznymi, te poszczególne domeny lub sekcje mają swoją własną orientację magnetyczną. W ten sposób, gdy zostaną wystawione na działanie zewnętrznego pola magnetycznego, np. Elektromagnesu na dyszy drukarki 3D, domeny będą się przesuwać w zależności od kierunku pola magnetycznego, na który reagują cząstki - dzięki czemu mogą wykonywać bardziej złożone ruchy.

Naukowcy wykorzystali swoją nową drukowaną platformę 3D do sfabrykowania tych domen. Podczas drukowania zmienili kierunek elektromagnesu wokół dyszy, aby dostroić orientację cząstek magnetycznych.

"Ta praca jest bardzo nowatorska. Można użyć miękkiego robota w ludzkim ciele lub w miejscu, które nie jest łatwo dostępne "- powiedział Jerry Qi, profesor inżynierii mechanicznej w Georgia Tech, który nie był zaangażowany w badania, ale ma znakomite doświadczenie w drukowaniu 4D. "Dzięki tej technologii opisanej w tym artykule, można zastosować pole magnetyczne poza ludzkim ciałem, bez użycia żadnego okablowania. Ze względu na szybką szybkość reakcji, miękki robot może wykonać wiele czynności w krótkim czasie. Są one ważne dla praktycznych zastosowań. "

Ponadto zespół opracował model fizyczny, który pozwala przewidzieć, w jaki sposób struktura drukowana 3D pod wpływem pola magnetycznego będzie się deformować lub przesuwać, wykorzystując wzór domen struktury, elastyczność materiału i kierunek, w którym stosowane jest zewnętrzne pole magnetyczne. Ruike odkrył, że przewidywania modelu są zbliżone do eksperymentów zespołu.

"Opracowaliśmy platformę drukowania i model predykcyjnydla innych do wykorzystania. Ludzie mogą projektować własne struktury i wzorce domen, sprawdzać je za pomocą modelu i drukować, aby uruchamiać różne funkcje. Poprzez programowanie złożonych informacji o strukturze, dziedzinie i polu magnetycznym można nawet drukować inteligentne maszyny, takie jak roboty ", powiedział Zhao.

Oprócz wspomnianych wcześniej struktur, zespół również wydrukował struktury auksetyczne 3D gwałtownie rozszerzają się lub kurczą wzdłuż dwóch kierunków, a także pierścień z obwodami elektrycznymi i czerwonymi i zielonymi lampkami LED. Pierścień może się odkształcać, w zależności od orientacji magnetycznej, aby świecić na zielono lub czerwono.