多功能的新材料家族可以构建逼真的假肢

大自然为人类肢体绘制的蓝图是精心分层的结构,坚硬的骨头包裹在不同的软组织(如肌肉和皮肤)中,彼此完美地结合在一起。使用合成材料来实现这种复杂性来构建具有生物启发性的机器人零件或多组件,复杂的机器一直是工程上的挑战。

通过调整单一聚合物的化学性质,得克萨斯州A&M大学和美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的研究人员创建了一系列合成材料,其质地从超软到极硬。研究人员说,它们的材料是3D可打印的,可自我修复的,可回收的,并且可以在空气或水下自然地彼此粘附。

他们的发现在五月份的《高级功能材料》杂志上有详细介绍。

材料科学与工程系教授Svetlana Sukhishvili博士说:“我们制造了一组令人兴奋的材料,其材料可以微调以获得橡胶的柔软性或承重塑料的强度。”研究的通讯作者。“它们的其他令人希望的特性,例如3D可打印性和在几秒钟内自我修复的能力,使其不仅适用于更逼真的假肢和软机器人,而且还非常适合广泛的军事应用,例如飞机和未来派的敏捷平台自愈飞机机翼。”

合成聚合物由重复分子图案的长串组成,例如链上的珠子。在弹性聚合物或弹性体中,这些长链轻度交联,使材料具有橡胶质。但是,这些交联也可用于通过增加交联数来使弹性体更坚硬。

尽管以前的研究已经控制了交联剂的密度以使弹性体变硬,但由此产生的机械强度变化通常是永久性的。

Sukhishvili说:“交叉链接就像一块布上的针迹,针迹越多,材料变得越硬,反之亦然。” “但是,我们不是要永久保留这些'缝线',而是要实现动态且可逆的交联,以便我们可以制造可回收的材料。”

因此,研究人员将注意力集中在涉及交联的分子上。首先,他们选择一种称为预聚物的母体聚合物,然后用两种类型的小交联分子呋喃和马来酰亚胺对这些预聚物链进行化学钉扎。通过增加预聚物中这些分子的数量,他们发现它们可以产生更硬的材料。这样,他们创建的最坚硬的材料比最柔软的材料强1,000倍。

但是,这些交联也是可逆的。呋喃和马来酰亚胺参与一种可逆的化学键合。简而言之,在该反应中,呋喃和马来酰亚胺对可以根据温度 “点击”和“取消点击” 。当温度足够高时,这些分子会脱离聚合物链,从而使材料软化。在室温下,材料会硬化,因为分子会迅速相互点击并再次形成交联。因此,如果这些材料在环境温度下有任何撕裂,研究人员就会显示呋喃和马来酰亚胺会自动重新点击,从而在几秒钟内修复缝隙。

研究人员指出,对于不同的硬度水平,交联剂从预聚物链上解离或脱离的温度相对相同。此属性对于使用这些材料进行3D打印很有用。无论它们是软的还是硬的,材料都可以在相同的温度下熔化,然后用作印刷油墨。

美国陆军研究实验室的研究工程师Frank Gardea博士说:“通过修改标准3-D打印机的硬件和处理参数,我们能够使用我们的材料逐层打印复杂的3-D对象。”以及该研究的通讯作者。“我们材料的独特优势在于,构成3-D零件的层的刚度可能大不相同。”

当3-D零件冷却到室温时,他补充说,不同的层可以无缝连接,从而排除了固化或任何其他化学处理的需要。因此,3D打印的零件可以很容易地用高温熔化,然后作为印刷油墨回收。研究人员还指出,他们的材料是可重新编程的。换句话说,在被设置为一种形状之后,可以仅通过加热使它们变为不同的形状。

将来,研究人员计划通过扩大当前研究中概述的多方面特性来增加其新材料的功能。

Gardea说:“目前,我们可以轻松地在室温下实现约80%的自愈,但我们希望达到100%。而且,我们希望使材料对除温度以外的其他刺激(例如光)做出响应,”。“在接下来的过程中,我们想探索引入一些底层的智能,以便这些材料知道可以自动适应,而无需用户启动该过程。”

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。