آزمایشگاه لوئیس هاروارد روش جدیدی را برای چاپ مارپیچ توسعه داده است

مواد در طبیعت به ندرت مستقیم هستند. در واقع، ساختارهای مارپیچ در طبیعت همه جا وجود دارند و خواص مکانیکی منحصر به فردی و چند کارکردی را ایجاد می کنند. در بدن ما، پروتئین ها به صورت رشته های مارپیچ جمع می شوند که به ماهیچه های ما اجازه انقباض می دهند. گیاهان تغییر شکل می دهند زیرا الیاف سلولزی به صورت مارپیچ در دیواره های سلولی آنها قرار گرفته اند. محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان A. Paulson و موسسه Wyss برای مهندسی الهام گرفته از بیولوژیکی در دانشگاه هاروارد اکنون یک روش چرخشی چاپ سه بعدی چند ماده ای – RM 3DP – برای ایجاد رشته های مارپیچ ایجاد کرده اند. این تیم با استفاده از این رویکرد جدید، ماهیچه های مصنوعی و شبکه های فنری را برای استفاده در روباتیک نرم و کاربردهای ساختاری طراحی و ساختند.

تحقیقات این تیم، به رهبری پروفسور جنیفر لوئیس و آزمایشگاه لوئیس هاروارد، که برای دهه ها تحقیق پیشرفته و پیشرفت در فناوری ها و مواد پرینت سه بعدی/ چاپ زیستی شناخته شده است، در Nature منتشر شد (و در دسترس است. اینجا).

چاپ سه بعدی چند ماده ای چرخشی – RM 3DP

سپس جوهرها از طریق یک نازل پیچیده تغذیه می شوند که امکان چاپ همزمان چندین ماده را فراهم می کند. همانطور که نازل می چرخد ​​و ترجمه می شود، جوهرهای اکسترود شده یک رشته با ویژگی های مارپیچ تعبیه شده تشکیل می دهند. این تکنیک بر اساس کار قبلی روی پرینت سه بعدی چرخشی برای کامپوزیت ها است که توسط محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی John A. Paulson (SEAS) و تیم جنیفر لوئیس انجام شده است.

در این مطالعه، هد چاپ از چهار کارتریج جوهر تشکیل شده است که هر کدام می تواند حاوی مواد مختلفی باشد. سپس جوهرها از طریق یک نازل پیچیده تغذیه می شوند که امکان چاپ همزمان چندین ماده را فراهم می کند. جنیفر لوئیس، استاد مهندسی الهام گرفته از زیست‌شناسی Hansjorg Wyss در SEAS و نویسنده ارشد این مطالعه، گفت: پلت‌فرم تولید افزودنی ما راه‌های جدیدی را برای تولید مواد معماری چند منظوره در نقوش الهام‌گرفته از زیستی باز می‌کند. لوئیس همچنین یکی از اعضای هیئت علمی موسسه Wyss است.
هد چاپ جدید آنها از چهار کارتریج جوهر تشکیل شده است که هر کدام می تواند حاوی مواد مختلفی باشد. سپس جوهرها از طریق یک نازل پیچیده تغذیه می شوند که امکان چاپ همزمان چندین ماده را فراهم می کند. همانطور که نازل می چرخد ​​و ترجمه می شود، جوهرهای اکسترود شده یک رشته با ویژگی های مارپیچ تعبیه شده تشکیل می دهند. آزمایشگاه لوئیس یکی از اولین‌ها در جهان بود که تقریباً یک دهه پیش روش‌هایی را برای چاپ زیستی چند ماده‌ای ساختارهای مویرگی توسعه داد و در چندین سال گذشته روی روباتیک نرم کار کرده است.

ناتالی لارسون، محقق فوق دکترا در SEAS و اولین نویسنده این مطالعه، می گوید: «چاپ چند ماده ای چرخشی به ما امکان می دهد تا رشته های مارپیچ و شبکه های ساختاری با معماری دقیق کنترل شده و در نهایت عملکرد تولید کنیم.

همانطور که دانشمندان در انتزاع مطالعه توضیح می دهند که تا به امروز معماری های مصنوعی تقلید کننده این سیستم های طبیعی با سیم پیچی، پیچاندن و بافته شدن رشته های منفرد، میکروسیال ها، خود شکل دهی و [various] روش های چاپ با این حال، آن روش‌های ساخت قادر به ایجاد و الگوبرداری همزمان رشته‌های معماری مارپیچی چند ماده‌ای با کنترل ساب ووکسل در نقوش دو بعدی (2D) و سه بعدی (3D) دلخواه از طیف وسیعی از مواد نیستند.

برای رسیدن به این هدف، اخیراً چاپ سه بعدی چند ماده ای و چرخشی از رشته های معماری گزارش شده است. با این حال، ادغام این دو قابلیت هنوز محقق نشده است. پلت فرم جدید چاپ سه بعدی چند ماده ای چرخشی (RM-3DP) که در این مطالعه برای چاپ مارپیچ توسعه یافته است، کنترل ساب ووکسل را بر جهت گیری محلی رشته های معماری ناهمگن به صورت آزیموتالی (با توجه به زاویه بالای صفحه) امکان پذیر می کند.

محققان با چرخش مداوم یک نازل چند ماده با نسبت کنترل‌شده سرعت زاویه‌ای به انتقال، رشته‌های مارپیچی با زاویه مارپیچ قابل برنامه‌ریزی، ضخامت لایه و سطح سطحی بین چندین ماده در یک وکسل استوانه‌ای معین ایجاد کرده‌اند. با استفاده از این روش یکپارچه، ماهیچه‌های مصنوعی عملکردی، متشکل از محرک‌های الاستومری دی‌الکتریک مارپیچی با کانال‌های مارپیچ رسانای قابل آدرس‌پذیری بالا که در یک ماتریس الاستومری دی‌الکتریک تعبیه شده‌اند، ایجاد شدند. محققان هاروارد همچنین شبکه‌های سلسله مراتبی را ساخته‌اند که شامل پایه‌های مارپیچ معماری شده است که حاوی فنرهای سفت در یک ماتریس سازگار است. انتظار می رود این پلت فرم جدید تولید مواد افزودنی، راه های جدیدی را برای تولید مواد معماری چند منظوره در نقوش الهام گرفته شده از زیستی باز کند.

خم کردن عضلات مصنوعی

در میان سایر کاربردهای عملی RM 3DP، با همکاری دیوید کلارک، پروفسور مواد خانواده تار، این تیم ماهیچه های مصنوعی را به شکل رشته های محرک الاستومری مارپیچ دی الکتریک چاپ کردند که می توانند تحت ولتاژ اعمال شده منقبض شوند. الکترودهای رسانا مارپیچ های درهم تنیده ای را تشکیل می دهند که در یک ماتریس الاستومری نرم محصور شده اند. با تنظیم میزان محکم سیم پیچ شدن آن الکترودهای مارپیچ، می توان پاسخ انقباضی این محرک ها را برنامه ریزی کرد.

این تیم همچنین با تعبیه فنرهای مارپیچ سفت در داخل یک ماتریس نرم و سازگار مانند فنرهای فلزی در یک تشک نرم، شبکه‌های ساختاری با سفتی متفاوت طراحی کردند. سفتی کلی مواد را می توان با تنظیم سفتی فنرهای داخل ماتریس تنظیم کرد. این ساختارهای مارپیچ قابل تنظیم را می توان برای ایجاد اتصالات یا لولا در سیستم های رباتیک نرم استفاده کرد.

هد چاپ از چهار کارتریج جوهر تشکیل شده است که هر کدام می تواند حاوی مواد مختلفی باشد. سپس جوهرها از طریق یک نازل پیچیده تغذیه می شوند که امکان چاپ همزمان چندین ماده را فراهم می کند.

در مرحله بعد، این تیم قصد دارد از قابلیت های این روش جدید چاپ سه بعدی برای ایجاد ساختارهای پیچیده تر استفاده کند. لارسون گفت: «با طراحی و ساخت نازل‌هایی با ویژگی‌های داخلی شدیدتر، وضوح، پیچیدگی و عملکرد این ساختارهای سلسله مراتبی الهام‌گرفته شده از زیست می‌تواند بیشتر افزایش یابد.»

این تحقیق توسط Jochen Mueller، Alex Chortos و Zoey Davidson در SEAS نوشته شده است. این توسط بنیاد ملی علوم تحت MRSEC (DMR- 2011754)، مواد طراحی NSF برای انقلابی کردن و مهندسی آینده ما (DMREF-15-33985)، برنامه کمک هزینه تحصیلی دانشکده Vannevar Bush، حمایت شده توسط دفتر تحقیقات اساسی برای معاون وزیر حمایت شد. دفاع برای تحقیقات و مهندسی از طریق دفتر کمک هزینه تحقیقات دریایی N00014- 21-1-2958 و GETTYLAB.