Такая эластичная технология могла бы сделать возможными роботов с чувствительной кожей и растягивающейся одеждой, которую люди могли бы носить для взаимодействия с компьютерами или в терапевтических целях.Однако, по словам Ребекки Крамер, доцента кафедры машиностроения в Университете Пердью, прежде чем мягкие машины станут коммерчески практичными, необходимо разработать новые производственные технологии.
Она и ее ученики работают над разработкой технологии изготовления, в которой используется изготовленный на заказ 3D-принтер. Недавние открытия показывают, как использовать эту технику для создания устройств, называемых тензодатчиками, которые обычно используются во многих коммерческих приложениях для измерения степени растяжения.Результаты подробно описаны в исследовательской статье, опубликованной на этой неделе в журнале Advanced Functional Materials и размещенной на внутренней стороне обложки журнала. Автор статьи — научный сотрудник, занимающийся постдокторскими исследованиями, Дж.
Уильям Боули; докторант Эдвард Л. Уайт; Джордж Т. Чиу, профессор машиностроения; и Крамер.Исследователи встроили устройства из жидких сплавов в резиноподобный полимер, называемый полидиметилсилоксаном, или PDMS, «эластомер» на основе кремния. Жидкий сплав галлия и индия использовался для создания рисунков линий, чтобы сформировать сеть датчиков.
«У него есть некоторые странные свойства, — сказал Крамер. «Галлий очень быстро окисляется и образует толстую пленку из оксида галлия, с которой сложно работать с использованием типичных методов обработки жидкости».Однако исследователи Purdue изобрели метод, который использует преимущество окисленной корки сплава.«Мы используем эту оксидную пленку для обеспечения структурной стабильности.
Это означает, что вы можете печатать жидкостью на поверхности, и она будет поддерживать стабильные структуры, не перемещаясь», — сказала она. «После того, как вы напечатаете его, вы можете перевернуть его или перевернуть на бок, потому что жидкость покрыта этой оксидной пленкой. Мы используем это открытие, чтобы встроить нашу электронику в эластомер, не разрушая и не изменяя печатные структуры на этапах обработки».Тензодатчики измеряют, насколько материал растягивается или деформируется. Поскольку обычные тензодатчики изготовлены из жесткой металлической пленки, они не могут измерять деформацию более 1 процента перед разрушением, тогда как тензодатчики с мягким тензодатчиком могут продолжать растягиваться вместе с материалом, измеряя 100 процентов деформации материала.
«Что интересно в мягком тензодатчике, так это то, что он может обнаруживать очень высокие деформации и может деформироваться практически с любым материалом», — сказал Крамер. «Когда вы сгибаете конечность, кожа вокруг суставов нагружается примерно на 50 процентов, поэтому, если вы хотите иметь сенсорную кожу и носимую технологию, которая отслеживает ваши движения, вам необходимо использовать мягкие эластичные материалы, которые не будут ограничивать ваш естественный диапазон движений. . "Результаты исследования описывают, как использовать 3D-принтер для создания мягких тензодатчиков.«Если вы хотите создать тензодатчик и хотите, чтобы следы имели определенную ширину или высоту, мы можем сказать вам с помощью нашей бумаги, какие именно параметры вы должны выбрать, включая скорость потока жидкости, скорость предметного столика. и расстояние от сопла до подложки. Мы разработали стратегию проектирования для 3D-печати жидких металлов ».Исследования показали, что жидкий сплав плохо прилипает к ПДМС, в отличие от оксидной пленки.
Полученные данные могут позволить исследователям увеличить эту адгезию, что может помочь в дальнейшем развитии метода.«Большинство сенсоров, изготовленных из этих материалов, прототипируются индивидуально и ограничиваются миллиметровым масштабом», — сказал Крамер, возглавляющий команду, создавшую прототип сенсора. «Наш процесс позволяет производить цифровые датчики в микромасштабе. Хотя это огромный шаг вперед, мы должны продолжать уменьшать масштаб и увеличивать плотность, чтобы разрабатывать датчики и электронику, которые сопоставимы с традиционными жесткими устройствами и имитируют функциональность кожи человека ».Новый процесс также может быть использован для изготовления датчиков давления, конденсаторов и проводников.
Ранее Крамер разработал сверхупругую тактильную клавиатуру, используя те же материалы.«Это чувствительная клавиатура, гибкая и удобная», — сказала она. «Когда вы нажимаете на эластомер, он деформирует нижележащие микроканалы, изменяя сопротивление между ними».Мягкие машины могут сделать возможными новые типы мягких микроэлектромеханических систем или МЭМС.
Современные МЭМС, такие как миниатюрные акселерометры и гироскопы, используемые в бытовой электронике, автомобильных подушках безопасности и других продуктах, сделаны из твердых металлов. Однако развитие мягких МЭМС может открыть новые области применения.