Aby rozwijać miękką robotykę, elektronikę zintegrowaną ze skórą i urządzenia biomedyczne, naukowcy z Penn State opracowali materiał drukowany w 3D, który jest miękki i rozciągliwy — cechy niezbędne do dopasowania właściwości tkanek i organów — i który samo się składa. Ich podejście wykorzystuje proces, który eliminuje wiele wad poprzednich metod wytwarzania, takich jak mniejsza przewodność lub awaria urządzenia, powiedział zespół.
Wyniki swoich badań opublikowali w czasopiśmie Advanced Materials.
„Ludzie opracowują miękkie i rozciągliwe przewodniki od prawie dekady, ale ich przewodność zwykle nie jest bardzo wysoka” — powiedział autor korespondencyjny Tao Zhou, adiunkt nauk inżynieryjnych i mechaniki oraz inżynierii biomedycznej na Penn State College of Engineering oraz materiałoznawstwa i inżynierii na College of Earth and Mineral Sciences. „Naukowcy zdali sobie sprawę, że mogą osiągnąć wysoką przewodność za pomocą przewodników na bazie ciekłego metalu, ale istotnym ograniczeniem jest to, że wymaga to wtórnej metody aktywacji materiału, zanim osiągnie on wysoką przewodność”.
Rozciągliwe przewodniki na bazie ciekłego metalu cierpią z powodu wrodzonej złożoności i wyzwań stawianych przez proces aktywacji po produkcji, powiedzieli badacze. Wtórne metody aktywacji obejmują rozciąganie, ściskanie, tarcie ścinające, spiekanie mechaniczne i aktywację laserową, które mogą prowadzić do wyzwań w produkcji i mogą powodować wyciek ciekłego metalu, co skutkuje awarią urządzenia.
„Nasza metoda nie wymaga żadnej wtórnej aktywacji, aby materiał stał się przewodzący” — powiedział Zhou, który jest również powiązany z Huck Institutes of the Life Sciences i Materials Research Institute. „Materiał może się samoczynnie składać, aby jego dolna powierzchnia była bardzo przewodząca, a górna powierzchnia samoizolująca”.
W nowej metodzie naukowcy łączą ciekły metal, przewodzącą mieszankę polimerów zwaną PEDOT:PSS i hydrofilowy poliuretan, który umożliwia ciekłemu metalowi przekształcenie się w cząsteczki. Gdy kompozytowy miękki materiał jest drukowany i podgrzewany, cząsteczki ciekłego metalu na jego dolnej powierzchni samoczynnie się organizują w przewodzącą ścieżkę. Cząsteczki w górnej warstwie są wystawione na działanie środowiska bogatego w tlen i utleniają się, tworząc izolowaną górną warstwę. Warstwa przewodząca jest krytyczna dla przekazywania informacji do czujnika — takich jak rejestrowanie aktywności mięśni i wykrywanie naprężeń na ciele — podczas gdy warstwa izolowana pomaga zapobiegać wyciekom sygnału, które mogłyby prowadzić do mniej dokładnego zbierania danych.
„Nasza innowacja dotyczy materiałów” — powiedział Zhou. „Zwykle, gdy ciekły metal miesza się z polimerami, nie są one przewodzące i wymagają wtórnej aktywacji, aby osiągnąć przewodnictwo. Jednak te trzy komponenty umożliwiają samoorganizację, która zapewnia wysoką przewodność miękkiego i rozciągliwego materiału bez wtórnej metody aktywacji”.
Materiał można również drukować w technologii 3D, powiedział Zhou, co ułatwia produkcję urządzeń do noszenia. Naukowcy nadal badają potencjalne zastosowania, skupiając się na technologii wspomagającej dla osób niepełnosprawnych.
Inni autorzy prac to Salahuddin Ahmed, Marzia Momin i Jiashu Ren, wszyscy doktoranci z wydziału inżynierii i mechaniki Penn State, oraz Hyunjin Lee, doktorant z wydziału inżynierii biomedycznej na Penn State. Praca ta została wsparta przez National Taipei University of Technology-Penn State Collaborative Seed Grant Program oraz przez Department of Engineering Science and Mechanics, Materials Research Institute i Huck Institutes of the Life Sciences na Penn State.