انقلاب چاپ سه‌بعدی: مواد “عضله‌وار” که دنیای رباتیک و پزشکی رو زیر و رو می‌کنن!

انقلابی در چاپ سه‌بعدی: موادِ دگرگون‌شونده

یه محقق از دانشگاه ایالتی اورِگِن (OSU) در ایجاد یه روش نوین چاپ سه‌بُعدی واسه موادِ دگرگون‌شونده که شبیه عضله‌ها هستن، مشارکت داشته. این پیشرفت می‌تونه توی کاربردهای بهتر و پیشرفته‌تری تو حوزه‌های رباتیک، پزشکی و دستگاه‌های انرژی باز بشه. ساختارهای الاستومر مایع کریستالی که توسط دوِین روچ از دانشکده‌ی مهندسی OSU با همکاریش چاپ شدن، می‌تونن درست بعد از چاپ، خم بشن، تا بشن و دوباره به حالت اولشون برگردن.

دوِین روچ، که استادیار مهندسیِ مکانیکه، اینطوری گفت: «الاستومرهای مایع کریستالی، در واقع، یه نوع موتور نرم هستن. از اونجایی که نرم هستن، برخلاف موتورهای معمولی، با بدن‌های نرم ما سازگارترن. به همین خاطر می‌تونن به عنوان دستگاه‌های پزشکی‌ای که می‌شه کاشت، مثلاً برای رسوندن دارو به مکان‌های هدف، یا به عنوان استنت‌ها واسه انجام پروسیجرها تو نواحی خاص، یا حتی به عنوان ایمپلنت‌های مجرای ادراری که به کنترل بی‌اختیاری کمک می‌کنن، به کار برن.»

مشخصات الاستومرهای مایع کریستالی

الاستومرهای مایع کریستالی، شبکه‌های پلیمری هستن با پیوندهای ضعیف که می‌تونن به طور قابل توجهی تو معرض محرک‌های خاص، مثل گرما، تغییر شکل بدن. این مواد می‌تونن انرژی گرمایی، مثل انرژی خورشید یا جریان‌های متناوب، رو به انرژی مکانیکی تبدیل کنن که بشه ذخیره و هر وقت لازم شد، ازش استفاده کرد. روچ اضافه کرد که LCEها می‌تونن نقش بزرگی تو زمینه رباتیک نرم ایفا کنن. «ربات‌های انعطاف‌پذیر که LCEها توشون به کار رفته، می‌تونن به جاهایی که واسه آدما خطرناک یا نامناسبه، دسترسی پیدا کنن.» اون ادامه داد: «این مواد تو زمینه هوافضا هم، به عنوان عملگر واسه سیستم‌های خودکار، مثل سیستم‌های گِریپلینگ تو فضاهای عمیق، مستقر کردن رادار یا اکتشافات فضایی، خیلی امیدبخش هستن.»

ویژگی‌های آنیزوتروپی و ویسکوالاستیسیته

روچ گفت که ویژگی‌های کاربردی الاستومرهای مایع کریستالی، به ترکیب آنیزوتروپی و ویسکوالاستیسیته‌شون بستگی داره. آنیزوتروپی به یه خاصیت اشاره داره که به جهت وابسته است. مثلاً، چوب در جهت الیافش، از عرضش محکم‌تره. مواد ویسکوالاستیک، همزمان خاصیت ویسکوزیته و الاستیسیته رو دارن؛ مثل عسل که در برابر جریان مقاومت می‌کنه و آروم آروم وقتی تحت فشار تغییر شکل می‌ده، و همچنین مثل لاستیک که به شکل اولیه خودش برمی‌گرده. مواد ویسکوالاستیک به آرامی تغییر شکل می‌دن و کم کم به حالت اولشون برمی‌گردن.

خواص تغییر شکل الاستومرهای مایع کریستالی

خواص تغییر شکل الاستومرهای مایع کریستالی به این مربوط می‌شه که مولکول‌ها تو این مواد چجوری چیده شدن. روچ و همکاراش از دانشگاه هاروارد، دانشگاه کلورادو و آزمایشگاه‌های ملی ساندیا و لاورنس لیورمور، یه روشی واسه هماهنگ کردن مولکول‌ها با استفاده از میدان مغناطیسی توی یه نوع چاپ سه‌بُعدی به اسم پردازش نور دیجیتال، کشف کردن. این نوع چاپ که بهش تولید افزایشی هم می‌گن، امکان ایجاد اشیاء رو لایه به لایه فراهم می‌کنه. تو پردازش نور دیجیتال، از نور واسه سفت کردن رزین مایع به شکل‌های جامد با دقت بالا استفاده می‌شه.

به هر حال، هماهنگ کردن مولکول‌های الاستومرها می‌تونه یه چالش باشه. روچ دراین‌باره گفت: «هماهنگ کردن مولکول‌ها، کلید باز کردن پتانسیل کامل LCEها و امکان استفاده ازشون تو کاربردهای پیشرفته و کاربردیه.» اون و محققای دیگه، قدرت میدان مغناطیسی رو تغییر دادن و بررسی کردن که چجوری این میدان و عوامل دیگه، مثل ضخامت هر لایه چاپ شده، رو هماهنگی مولکولی تأثیر می‌ذارن. این کار، این امکان رو بهشون داد که شکل‌های پیچیده‌ای از الاستومرهای مایع کریستالی رو چاپ کنن که وقتی گرم می‌شن، به شیوه‌های خاصی تغییر شکل می‌دن.

روچ اضافه کرد: «کار ما، راه‌های جدیدی واسه ساخت مواد پیشرفته‌ای که به محرک‌ها به شیوه‌های مفید جواب می‌دن، باز می‌کنه و ممکنه منجر به نوآوری‌هایی تو چند تا حوزه بشه.» این مطالعه که توی مواد پیشرفته منتشر شده، با حمایت بنیاد ملی علوم و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی انجام شده.

پتانسیل جذب مکانیکی الاستومرهای مایع کریستالی

تو تحقیقاتی که به این موضوع ربط داره و تو مواد مهندسی پیشرفته منتشر شده، روچ رهبری یه تیم از دانشجوهای دانشگاه ایالت اورگن و همکاراش تو ساندیا، لاورنس لیورمور و دانشگاه فنی ناواهو رو بر عهده داشت تا پتانسيل جذب مکانیکی الاستومرهای مایع کریستالی رو بررسی کنن. جذب مکانیکی به کم‌کردن یا پخش کردن انرژی ارتعاشات یا نوسانات تو سیستم‌های مکانیکی اشاره داره. این شامل کمک‌فنرهای ماشین، دمپرهای زلزله که به محافظت از ساختمون‌ها در مقابل زلزله کمک می‌کنن و دمپرهای ارتعاشی روی پل‌ها که نوسانات ناشی از باد یا وسایل نقلیه موتوری رو به حداقل می‌رسونن، می‌شه.

دانشجوهای دانشگاه ایالت اورگن، آدام بِیشاف، کارتِر باکات و ماکسیم سُرکین و محققای دیگه نشون دادن که یه روش به اسم چاپ سه‌بُعدی با جوهر مستقیم می‌تونه دستگاه‌های جذب مکانیکی تولید کنه که به طور مؤثری انرژی رو تو یه دامنه وسیعی از نرخ‌های بارگذاری پخش می‌کنن.

“`