de.wedoany.com-Bericht: Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences haben eine 3D-Druckmethode entwickelt, mit der sich Fasern herstellen lassen, die dünner als ein menschliches Haar sind. Diese Fasern können sich bei Temperaturänderungen biegen, verdrehen, ausdehnen oder zusammenziehen und fungieren als programmierbare künstliche Muskeln. Die Ergebnisse wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht. Die Studie stammt aus dem Labor von Jennifer Lewis, Hansjörg Wyss Professorin für biologisch inspirierte Technik, wobei der Postdoktorand Mustafa Abdelrahman als Erstautor fungiert.
Die Technologie basiert auf einer von Lewis‘ Labor entwickelten rotierenden Multi-Material-3D-Druckplattform. Die Plattform extrudiert gleichzeitig zwei Materialien durch eine rotierende Düse: ein flüssigkristallines Elastomer, ein aktives Material, das sich beim Erhitzen entlang einer bevorzugten Molekülrichtung zusammenzieht, und ein inertes, weiches Elastomer, das unabhängig von der Temperatur seine Form behält. Durch präzise Steuerung der Position jedes Materials im Faserquerschnitt und Rotation der Düse während des Drucks können die Forscher spiralförmige Molekülanordnungen direkt in die Faser während ihrer Entstehung einschreiben. Dadurch wird das Formänderungsverhalten vollständig während der Herstellung vorgegeben, ohne dass eine Nachbearbeitung oder manuelle Montage erforderlich ist.
„Ich sah diese sehr schöne rotierende 3D-Druckplattform und dachte: Wenn wir ein aktives Material hinzufügen und es in die Faser strukturieren, könnten wir damit Formänderungen antreiben?“, sagte Abdelrahman.
Das Potenzial der Technologie zeigte sich, als das Team einzelne programmierte Fasern als Bausteine für komplexere Strukturen verwendete. Sinusförmige oder wellenförmige Fasern sehen optisch identisch aus, zeigen aber je nach Position des aktiven Materials gegensätzliches Verhalten: Befindet sich das Elastomer auf der Außenseite der Welle, streckt und dehnt sich die Faser; befindet es sich auf der Innenseite, zieht sich die Faser zusammen und verkürzt sich.
Auf Basis dieser Einheiten bauten die Forscher flächige Gitter, die sich mit Wärme öffnen und schließen lassen und wie ein aktiver Filter funktionieren: Beim Erhitzen lassen sie Partikel passieren, beim Abkühlen fangen sie diese ein. Das Gitter kann auch als Greifer zum Aufnehmen und Ablegen verwendet werden, der mehrere Stäbe gleichzeitig anhebt und bei Bedarf freigibt. Ein Gitter mit abwechselnden Expansions- und Kontraktionszonen wölbte sich beim Erhitzen zu einer kuppelförmigen Struktur, die stark mit computergestützten Vorhersagen übereinstimmte. Validierung und Modellierung erfolgten in Zusammenarbeit mit Professor L. Mahadevan, einem Experten für die Mechanik natürlicher Strukturen, während die Molekülanordnung in Zusammenarbeit mit dem Labor von Professorin Joanna Aizenberg am Brookhaven National Laboratory mittels Röntgenstreuung charakterisiert wurde.
Das Team hat bereits Fasern mit einem Durchmesser von nur 100 Mikrometern gedruckt und ist überzeugt, dass noch kleinere möglich sind. „In Bezug auf die Skalierbarkeit könnten in Zukunft komplexere Düsen hergestellt werden, die andere Materialien integrieren, beispielsweise flüssigmetallische Kanäle für den Antrieb oder andere Funktionen“, sagte der Doktorand und Koautor Jackson Wilt.
Zu den vom Team ins Auge gefassten Anwendungen gehören rekonfigurierbare weiche Greifer, einstellbare Filter und Ventile sowie injizierbare Fasern, die sich im Körper verriegeln und poröse, die Gerinnung fördernde Strukturen für biomedizinische Anwendungen bilden. Wie Lewis es formulierte: „Dieses Faserdesign- und Druckframework kann den Übergang von künstlichen muskelähnlichen Materialien aus dem Labor in die reale Technologie beschleunigen.“
Das Harvard-Team wies auch auf die Grenzen des aktuellen Systems hin. Die Miniaturisierung ist eine direkte Einschränkung: Die Düsenauflösung wird durch den DLP-Harz-3D-Drucker begrenzt, der zur Herstellung der kundenspezifischen Coextrusionsköpfe verwendet wird, was die Merkmalsgröße auf etwa 50 Mikrometer beschränkt. Die Verringerung des Düsendurchmessers von 1 mm auf 0,5 mm reduzierte den Faserdurchmesser erfolgreich von 600 auf 300 Mikrometer, allerdings auf Kosten einer geringeren Druckgeschwindigkeit in kleineren Maßstäben, was die scherinduzierte Molekülorientierung des Flüssigkristallelastomers verringerte. Da die Molekülorientierung die treibende Kraft ist, besteht ein direkter Zielkonflikt zwischen Miniaturisierung und Leistung.
Die Temperaturabhängigkeit ist eine weitere praktische Einschränkung. Der gesamte Antrieb beruht darauf, die Probe über die nematisch-isotrope Übergangstemperatur des Flüssigkristallelastomers zu erhitzen, die bei der aktuellen Tintenzusammensetzung weit über den Umgebungsbedingungen liegt. Die Demonstrationen erfolgten durch Eintauchen der Gitter in ein erhitztes Silikonölbad – eine Anordnung, die weit von den ungebundenen, körperintegrierten oder umgebungsbedingten Bedingungen entfernt ist, die für weiche Robotik und biomedizinische Anwendungen erforderlich sind.
Zu den weiteren beitragenden Autoren der Studie gehören Yeonsu Jung, Rodrigo Telles, Gurminder K. Paink und Natalie M. Larson. Die Finanzierung erfolgte durch die National Science Foundation über das Harvard Materials Research Science and Engineering Center sowie das Multidisciplinary University Research Initiative des Army Research Office. Die experimentellen Arbeiten wurden am Harvard Center for Nanoscale Systems und an der Synchrotronstrahlungsquelle des Brookhaven National Laboratory durchgeführt, unterstützt durch die NSF bzw. das Energieministerium. Das Harvard Office of Technology Development hat mit der Beantragung von Schutzrechten für diese grundlegende Innovation begonnen und prüft Wege zur Markteinführung.
Dieses neueste Ergebnis aus Lewis‘ Labor ist Teil der Forschungstrajektorie von Harvard zu programmierbaren weichen Materialien. Eine frühere Studie der Gruppe, geleitet von Jackson Wilt und der ehemaligen Postdoktorandin Natalie Larson, nutzte dieselbe rotierende Multi-Material-3D-Druckplattform zur Herstellung weicher Roboterstrukturen mit eingebetteten Antriebspfaden, was auf Anwendungen in der Chirurgierobotik und Mensch-Technik-Assistenz hindeutet. Lewis und Emily Davidson, Professorin an der Princeton University, verfeinerten die Wissenschaft der Flüssigkristallorientierung im extrusionsbasierten 3D-Druck und verwandelten den Prozess von einer experimentellen Kunst in eine präzisere, messbare Disziplin, was die Grundlage für eine zuverlässige Massenfertigung von Materialien auf Basis von Flüssigkristallelastomeren legt. Flüssigkristallelastomere gewinnen derzeit in den Bereichen weiche Robotik, Energiedämpfung und biomedizinische Technik an Bedeutung. Die Fähigkeit, die Formänderung von Fasern bereits beim Druck vorzuprogrammieren, beseitigt ein entscheidendes Hindernis für die Umsetzung von Laborergebnissen in nutzbare Geräte.
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