انقلابی در پرینت سه‌بعدی: تحول ابزارهای پزشکی و رباتیک

تحولی در چاپ سه‌بعدی با مواد تغییر شکل‌دهنده

یک محقق از دانشگاه ایالتی اورگن (OSU) به ایجاد یک روش جدید چاپ سه‌بعدی برای مواد تغییر شکل‌دهنده‌ای کمک کرده است که به عضلات تشبیه می‌شوند. این پیشرفت می‌تواند در کاربردهای بهبود یافته‌ای در زمینه رباتیک، پزشکی و دستگاه‌های انرژی مؤثر باشد. ساختارهای الاستومر مایع بلوری که توسط دوین روچ از دانشکده مهندسی OSU و همکارانش چاپ شده‌اند، می‌توانند بلافاصله پس از چاپ، خزیده، تا شده و به حالت اولیه خود برگردند.

دوین روچ، استادیار مهندسی مکانیک، در این باره گفت: “الاستومرهای مایع بلوری در واقع موتورهای نرم هستند. از آنجا که آن‌ها نرم هستند، بر خلاف موتورهای معمولی، با بدن‌های نرم ما به خوبی کار می‌کنند. بنابراین می‌توانند به عنوان دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت، برای مثال، برای تحویل دارو در مکان‌های هدف، به عنوان استنت‌ها برای انجام پروسیجرها در نواحی خاص، یا به عنوان ایمپلنت‌های مجرای ادراری که به کنترل بی‌اختیاری کمک می‌کنند، استفاده شوند.”

ویژگی‌های الاستومرهای مایع بلوری

الاستومرهای مایع بلوری شبکه‌های پلیمری با پیوند کم‌عمق هستند که قادر به تغییر شکل به طور قابل توجهی در معرض محرک‌های خاص، مانند حرارت، می‌باشند. آن‌ها می‌توانند انرژی حرارتی، مانند انرژی خورشیدی یا جریان‌های متناوب، را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند که می‌توان آن را ذخیره و در زمان نیاز استفاده کرد. روچ افزود که LCEها می‌توانند نقش بزرگی در زمینه رباتیک نرم ایفا کنند. “ربات‌های انعطاف‌پذیر که شامل LCEها هستند، می‌توانند به مناطقی که برای انسان‌ها خطرناک یا نامناسب است، دسترسی پیدا کنند.” او ادامه داد: “این مواد همچنین در زمینه هوافضا به عنوان عملگرها برای سیستم‌های خودکار، مانند سیستم‌های گراپلینگ در فضاهای عمیق، استقرار رادار یا اکتشافات فرازمینی، نویدبخش هستند.”

خواص آنیزوتروپی و ویسکوالاستیسیته

روچ گفت که ویژگی‌های کاربردی الاستومرهای مایع بلوری به ترکیب آنیزوتروپی و ویسکوالاستیسیته آن‌ها بستگی دارد. آنیزوتروپی به خاصیتی اشاره دارد که وابسته به جهت است، مانند اینکه چوب در امتداد الیاف خود قوی‌تر از عرض آن است. مواد ویسکوالاستیک همزمان خاصیت ویسکوزیته و الاستیسیته را دارند؛ مانند عسل که در برابر جریان مقاومت می‌کند و به آرامی تحت فشار تغییر شکل می‌دهد و همچنین مانند لاستیک که به شکل اولیه خود بازمی‌گردد. مواد ویسکوالاستیک به آرامی تغییر شکل می‌دهند و به تدریج به حالت اولیه خود بازمی‌گردند.

خواص تغییر شکل الاستومرهای مایع بلوری

خواص تغییر شکل الاستومرهای مایع بلوری به نحوه چیدمان مولکول‌ها درون این مواد وابسته است. روچ و همکارانش از دانشگاه هاروارد، دانشگاه کلرادو و آزمایشگاه‌های ملی ساندیا و لاورنس لیورمور روشی برای هم‌راستا کردن مولکول‌ها با استفاده از میدان مغناطیسی در حین نوعی چاپ سه‌بعدی به نام پردازش نور دیجیتال کشف کردند. این نوع چاپ که به عنوان تولید افزایشی نیز شناخته می‌شود، امکان ایجاد اشیاء را لایه به لایه فراهم می‌کند. در پردازش نور دیجیتال، از نور برای سخت کردن رزین مایع به اشکال جامد با دقت بالا استفاده می‌شود.

با این حال، هم‌راستا کردن مولکول‌های الاستومرها می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. روچ در این باره گفت: “هم‌راستا کردن مولکول‌ها کلید باز کردن پتانسیل کامل LCEها و امکان استفاده از آن‌ها در کاربردهای پیشرفته و عملی است.” او و سایر محققان قدرت میدان مغناطیسی را تغییر دادند و بررسی کردند که چگونه این میدان و عوامل دیگر، مانند ضخامت هر لایه چاپ شده، بر هم‌راستایی مولکولی تأثیر می‌گذارد. این کار به آن‌ها این امکان را داد تا اشکال پیچیده‌ای از الاستومرهای مایع بلوری را چاپ کنند که در هنگام گرم شدن به شیوه‌های خاصی تغییر شکل می‌دهند.

روچ افزود: “کار ما امکانات جدیدی برای ایجاد مواد پیشرفته‌ای که به محرک‌ها به شیوه‌های مفید پاسخ می‌دهند، باز می‌کند و ممکن است منجر به نوآوری‌هایی در چندین حوزه شود.” این مطالعه که در مواد پیشرفته منتشر شده، با حمایت بنیاد ملی علوم و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی انجام شده است.

پتانسیل جذب مکانیکی الاستومرهای مایع بلوری

در تحقیقات مرتبطی که در مواد مهندسی پیشرفته منتشر شده، روچ رهبری تیمی از دانشجویان دانشگاه ایالت اورگن و همکارانش در ساندیا، لاورنس لیورمور و دانشگاه فنی ناواهو را بر عهده داشت تا پتانسیل جذب مکانیکی الاستومرهای مایع بلوری را بررسی کنند. جذب مکانیکی به کاهش یا پراکنده کردن انرژی ارتعاشات یا نوسانات در سیستم‌های مکانیکی اشاره دارد، که شامل شوک‌گیرهای خودرو، دمپرهای زلزله که به محافظت از ساختمان‌ها در برابر زلزله کمک می‌کنند و دمپرهای ارتعاشی روی پل‌ها که نوسانات ناشی از باد یا وسایل نقلیه موتوری را به حداقل می‌رسانند، می‌شود.

دانشجویان دانشگاه ایالت اورگن، آدام بیشاف، کارتر باکات و ماکسیم سورکین و سایر محققان نشان دادند که روشی به نام چاپ سه‌بعدی با جوهر مستقیم می‌تواند دستگاه‌های جذب مکانیکی تولید کند که به طور مؤثری انرژی را در دامنه وسیعی از نرخ‌های بارگذاری پراکنده می‌کنند.