Учёные из Университета Райса сделали шаг вперёд в области мягкой робототехники и биомедицинских устройств
Инженеры Университета Райса обнаружили новый мощный способ повышения прочности и долговечности мягких устройств на основе силикона без изменения самих материалов. Их исследование, [опубликованное](https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv2681) в специальном выпуске журнала Science Advances, посвящено печатной и скелетно-мышечной робототехнике и предлагает прогностическую модель, которая связывает условия отверждения силикона с прочностью сцепления, что позволяет значительно улучшить характеристики как формованных, так и 3D-печатных эластомерных компонентов.
«Мы обнаружили, что степень отверждения силиконового эластомера во время склеивания напрямую влияет на то, насколько хорошо он склеивается», — сказал Дэниел Дж. Престон, автор соответствующей статьи и доцент кафедры машиностроения. «Понимая и контролируя эту переменную, мы можем значительно повысить надёжность устройств без введения новых химикатов или обработок».
Почему это важно?
Силиконовые эластомеры ценятся во многих отраслях — от хирургических имплантатов до кухонных принадлежностей и мягких роботов — благодаря своей гибкости, химической стабильности и биосовместимости. Но склеивание силиконовых компонентов вместе во время производства долгое время представляло собой проблему. Плохое сцепление может привести к расслоению, утечкам или катастрофическому отказу устройства, особенно в мягких роботах, где гибкие камеры должны выдерживать многократное надувание и деформацию.
«Прочное и стабильное склеивание абсолютно необходимо в этих приложениях», — сказала Те Фэй Йейп, первый автор статьи, которая получила докторскую степень в Райсе, а сейчас является доцентом кафедры машиностроения в Гавайском университете. «Однако последовательно достичь такого уровня прочного склеивания было сложно, особенно по мере усложнения устройств и использования многослойных или гибридных конструкций».
Проблема заключается в том, как отверждается силикон: во время обработки жидкие предполимеры постепенно превращаются в твёрдые вещества в результате золь-гель-реакции. Если склеивание происходит слишком поздно (после полного отверждения материала), на границе раздела отсутствует химическая связь, необходимая для прочного соединения. До сих пор предсказать, когда этот переход происходит в реальных условиях, было сложно.
Чтобы решить эту проблему, инженерная команда Университета Райса разработала новую модель, которая связывает процесс отверждения с «координатой реакции» — безразмерным значением, учитывающим время и температуру во время отверждения. Этот показатель позволил исследователям точно отслеживать степень отверждения даже при переменных температурных условиях, например, в промышленных печах или 3D-принтерах.
«Наша координата реакции даёт нам своего рода часы», — сказал Престон. «Она сообщает нам, когда материал частично отверждён и с ним можно обращаться, но при этом он всё ещё достаточно свежий, чтобы образовывать прочные химические связи с адгезивным слоем».
Это открытие не только проясняет, когда адгезия наиболее эффективна, но и помогает предсказать, когда она откажет. Используя тесты на отслаивание, команда показала, что [прочность сцепления](https://phys.org/tags/adhesion+strength/) резко падает, когда координата реакции пересекает критический порог. В этот момент вновь нанесённый силикон больше не образует прочных ковалентных связей с нижним слоем, и интерфейс выходит из строя под воздействием нагрузки.
Чтобы доказать свою модель на практике, команда изготовила мягкие пневматические приводы (распространённые компоненты в [мягких роботах](https://phys.org/tags/soft+robots/)) путём соединения предварительно отверждённых силиконовых компонентов с использованием свежего силикона в качестве клея. Устройства, склеенные в пределах оптимального окна реакции, выдерживали более высокое давление и изгибались с кривизной на 50% больше, чем их переотверждённые аналоги.
В другом эксперименте команда использовала 3D-биопринтер для изготовления силиконовых структур слой за слоем. Руководствуясь своей координатой реакции, они точно контролировали время между печатью каждого слоя и добились более чем 200% улучшения межслойной адгезии по сравнению с традиционными методами печати.
«Мы смогли настроить условия отверждения так, чтобы точно настроить адгезию там, где мы этого хотели», — сказал Престон. «Эта возможность открывает двери для создания более прочных и надёжных 3D-печатных силиконовых устройств со сложной геометрией».
Значение работы
Последствия этой работы огромны. Производители медицинских имплантатов, носимой электроники и гибких роботов могут изготавливать более долговечные устройства, не прибегая к химической обработке поверхности или дорогостоящим методам плазменного склеивания. Аддитивное производство мягких устройств, которое набирает обороты в медицинской промышленности и производстве носимой техники, может особенно выиграть от такого подхода.
«Наша модель проста, универсальна и не требует никаких новых материалов», — сказал Престон. «Это руководство, которое инженеры могут начать использовать немедленно для создания более качественных продуктов».
Предоставлено [Rice University](https://phys.org/partners/rice-university/)