تحول صنعت رباتیک انعطاف‌پذیر با جوهر پلیمری نرم اما محکم

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از اینترستینگ اینجینیرینگ، ساخت ربات‌های نرم و سبک‌وزن یا دستگاه‌های پوشیدنی که عملکرد آنها را به خطر نیندازد، از مدت‌ها پیش چالش دانشمندان قلمداد می‌شده است.

استفاده از مواد سنگین نه‌تنها به انرژی بیشتری برای جابه‌جایی نیاز دارد، بلکه باعث ایجاد ناراحتی به خصوص در پوشیدنی‌ها یا پروتز‌ها می‌شود.

الاستومر‌ها به‌عنوان یک ماده محبوب برای چنین کاربرد‌هایی ظاهر شده‌اند. درواقع، پلیمر‌های مصنوعی با طیف وسیعی از خواص مکانیکی از سفت تا قابلیت ارتجاعی هستند. با این حال، ساخت پلیمر‌هایی که بتوانند به ساختار‌های پیچیده سه بعدی با سفتی متغیر تبدیل شوند، تا کنون محقق نشده بود.

اکنون محققان دانشگاه پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL) از این الاستومور‌ها برای چاپ نمونه اولیه «انگشت» استفاده کردند که با «استخوان» سفت و سخت و با «گوشت» انعطاف‌پذیر احاطه شده است.

«استر امستاد» (Esther Amstad) رئیس آزمایشگاه مواد نرم در دانشکده مهندسی پلی‌تکنیک فدرال لوزان و مجری این پژوهش گفت: الاستومر‌ها معمولا به گونه‌ای قالب‌گیری می‌شوند که ترکیب آنها را نمی‌توان در هر سه بعد در مقیاس‌های کوتاه تغییر داد.

برای غلبه بر این مشکل، ما DNGE‌ها را توسعه دادیم: الاستومر‌های دانه‌ای دو شبکه‌ای قابل چاپ سه‌بعدی که می‌توانند خواص مکانیکی خود را به میزان بی‌سابقه‌ای تغییر دهند. این محققان از DNGE برای چاپ نمونه اولیه یک «انگشت» استفاده کردند که با «استخوان» سفت و سخت احاطه شده است.

دستاوردی که قابلیت ساخت دستگاه هایی را دارد که به اندازه کافی انعطاف‌پذیر باشند تا خم شوند و کشش پیدا کنند و در عین حال به اندازه کافی محکم برای دستکاری اشیا باقی بمانند.

محققان دو شبکه الاستومری را مهندسی کردند که در آن ریزذرات الاستومری تولید شده از قطره‌های امولسیون روغن در آب، در محلول پیش‌ساز قرار می‌گیرند. این شبکه‌ها، ترکیبات الاستومری را جذب کرده و متورم می‌شوند.

سپس از ریزذرات متورم‌شده برای ساخت جوهر قابل چاپ سه‌بعدی استفاده کرده و آن را برای ایجاد ساختار مورد نظر در یک چاپگر زیستی بارگذاری کردند.

پیش ساز در ساختار چاپ سه بعدی پلیمریزه شده و شبکه الاستومری دوم را ایجاد می‌کند. این شبکه دوم کل شی را سفت می‌کند.

در حالی که ترکیب شبکه اول، سفتی سازه را تعیین می‌کند، شبکه دوم کل جسم را محکم و سخت میسازد. این دو شبکه را می‌توان به طور مستقل تنظیم کرد تا ترکیبی از سختی، چقرمگی و مقاومت در برابر خستگی به دست آید.

علاوه بر این، استفاده از الاستومر‌ها بر روی هیدروژل‌ها این مزیتایجاد ساختار‌های بدون آب و پایدارتر در طول زمان را فراهم می‌کند.

برای تکمیل آن، DNGE‌ها را می‌توان با استفاده از چاپگر‌های سه‌بعدی موجود در بازار چاپ کرد. ارزش این رویکرددر این است که هر کسی که یک چاپگر زیستی استاندارد دارد می‌تواند از آن استفاده کند.

برنامه‌های کاربردی بالقوه و چشم انداز‌ها

توسعه DNGE‌ها راه را برای طیف گسترده‌ای از برنامه‌های کاربردی بالقوه را باز می‌کند. یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربرد‌ها در زمینه توانبخشی با هدایت حرکتی است.

در چنین مواردی، توانایی پشتیبانی از حرکت در یک جهت و محدود کردن آن در جهت دیگر می‌تواند بسیار مفید باشد.

فناوری DNGE همچنین می‌تواند در پروتز‌ها و راهنمای حرکت برای کمک به جراحان استفاده شود. علاوه بر این، با امکان سنجش حرکات از راه دور می‌تواند در مناطقی مانند برداشت محصول به کمک ربات‌ها یا اکتشاف زیر آب، بسیار ارزشمند باشد.

این دانشمندان بر روی گام‌های بعدی به سمت توسعه چنین برنامه‌هایی با ادغام عناصر فعال مانند مواد پاسخگو و اتصالات الکتریکی در ساختار‌های DNGE کار می‌کند.

نتایج این تحقیقات در نشریه «ادونسد متریالز» (Advanced Materials) منتشر شده است.