Исследователи из Китайского Харбинского технологического института напечатали на 3D-принтере мягкого робота из оксида графена, который способен двигаться вперед и назад под воздействием влаги.
Ученые объединили 3D-печать Direct Ink Writing (DIW) и методы ограниченной сушки для изготовления мягкого робота и смогли преодолеть проблемы с пористостью, усадкой и однородностью структуры, которые ранее наблюдались при 3D-печати объектов из оксида графена.
По словам исследователей, исследование может предоставить универсальную платформу, на основе которой можно будет в дальнейшем разрабатывать мягких роботов из оксида графена с возможностью активации влагой.
Графен обладает многочисленными полезными свойствами, которые делают его пригодным для применения в области производства энергии, микроэлектроники, биомедицины и датчиков, и это лишь некоторые из них. Легкие свойства материала, электрическая и теплопроводность, а также механическая прочность открывают большие перспективы в этих областях, однако, поскольку большая часть потенциала графена связана с использованием материала в его монослойной форме, использование материала для 3D-печати по-прежнему сопряжено со значительными проблемами.
Однако ранее были предприняты шаги по использованию потенциала графена в 3D-печати, например, разработка метода 3D-печати с высоким разрешением исследователями из Virginia Tech и Ливерморской национальной лаборатории (LLNL), который включает в себя рассеивание графена в пределах геля для формирования смолы для 3D-печати. LLNL также работала с командой Калифорнийского университета в Санта-Круз над производством аэрогелевых электродов на основе графена, используемых в устройствах накопления энергии.
В другом месте исследователи из Испанского института керамики и стекла (ICV) и Экс-Марсельского университета напечатали 3D-каркасы из оксида графена в качестве основы для легких гибридных структур, которые сохранили многие желательные свойства графена, включая электропроводность и водопоглощающую способность.
Совсем недавно исследователи из Университета Буффало разработали новый 3D-печатный графеновый аэрогель для очистки воды, который можно использовать на очистных сооружениях, а ученые из Университета Упсалы и специалист по графену Graphmatech успешно добавили графен в напечатанные на 3D-принтере медные детали, чтобы повысить их прочность и плотность.
Команда из Харбинского технологического института определила, что ранее сообщавшиеся структуры из оксида графена, напечатанные на 3D-принтере, имеют тенденцию быть очень пористыми из-за супергидрофильных характеристик материала. Содержание воды в чернилах на основе оксида графена, как правило, превышает 90 процентов от веса материала, и ее необходимо удалить после процесса 3D-печати.
Методы сублимационной сушки обычно используются для поддержания однородности 3D-печатных структур из оксида графена, однако это может сделать структуры очень пористыми. Чтобы преодолеть этот эффект, исследователи предложили контролировать процесс усадки напечатанного на 3D-принтере геля оксида графена с помощью комбинации методов 3D-печати DIW и принудительной сушки.
Ученые начали с того, что оптимизировали реологические свойства чернил на основе оксида графена, чтобы обеспечить как плавную экструзию в процессе DIW, так и стабильность формы печатных объектов. Для этого они сделали так, чтобы чернила содержали хорошо выровненные и плотно спрессованные листы оксида графена.
Чтобы предотвратить деформацию на этапе сушки, исследователи использовали 3D-печатные ограничители, которыми можно было легко управлять, чтобы обеспечить равномерную усадку по всей конструкции. Это означало, что листы оксида графена оставались выровненными и уплотненными на протяжении всего процесса сушки, что позволяло печатной структуре сохранять свою форму.
Ученые также смогли контролировать углы в местах 3D-ограничителей, а также влажность окружающей среды, чтобы продемонстрировать способность срабатывания своего мягкого робота из оксида графена, напечатанного на 3D-принтере. Поочередно капая капли воды на каждую из «ног» мягкого робота, он мог двигаться вперед и назад без какого-либо внешнего источника питания.
По словам исследователей, успешное сочетание 3D-печати DIW и ограниченной сушки легло в основу универсальной платформы для разработки будущих мягких роботов из оксида графена, чувствительных к изменениям влажности.
Дополнительную информацию об исследовании можно найти в статье под названием «3D-печать мягкой робототехники из оксида графена», опубликованной в журнале ACS Nano. В соавторстве с исследованием выступили Г. Чжоу, Ю. Ю, З. Ян, Д. Цзя, П. Поулин, Ю. Чжоу и Дж. Чжун.
3D-печать все чаще используется для новых приложений мягкой робототехники из-за свободы дизайна, предоставляемой этой технологией.
Буквально на прошлой неделе исследователи из Линцского университета имени Иоганна Кеплера напечатали на 3D-принтере мягких роботов со встроенными сенсорными сетями, способными растягиваться в шесть раз по сравнению с их первоначальной длиной. В рамках исследования команда стремилась решить проблемы устойчивости, связанные с разработкой приложений для мягкой робототехники, такие как использование небиоразлагаемых материалов и растущее воздействие на окружающую среду.
Ранее исследователи из Университета Линчепинга напечатали на 3D-принтере набор микроприводов для мягкой микроробототехники с возможностями 4D, а ученые Гарвардского университета использовали эту технологию для изготовления косяка мягких роботизированных рыб, способных плавать по сложным схемам.
В другом месте команда из Тяньцзиньского университета создала 4D-печатных самодвижущихся мягких роботов, а исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили новый метод 3D-печати жидкокристаллическими эластомерами, которые могут стать основой исполнительного материала для мягкой робототехники.