Инженеры Университета Рутгерса создали смарт-гель, напечатанный на 3D-принтере, который меняет форму при воздействии света, становясь «искусственной мышцей». Этот материал может привести к интересным исследованиям для различных инженерных приложений, включая новый военный камуфляж, мягкую робототехнику и гибкие дисплеи. Вдохновленная сложными механизмами маскировки головоногих, таких как осьминоги, каракатицы и кальмары, которые позволяют им изменять цвет кожи, исследовательская группа представила искусственные изменяющие цвет клетки, называемые хроматофорами, которые могут изменять свой цветовой рисунок в ответ на свет.
Данные из статьи, опубликованной в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, показывают, что трехмерная печать из нескольких материаловсветочувствительный искусственный хроматофор (LAC) может воспринимать свет и изменять его цветовой рисунок на уровне отдельных единиц. Соавторы исследования намеревались воспроизвести невероятную способность головоногих моллюсков использовать тысячи изменяющих цвет хроматофорных клеток, распределенных на их мягкой коже, для изменения цвета и текстуры. Благодаря тому, что хроматофоры действуют индивидуально, головоногие моллюски могут создавать чрезвычайно сложные цветовые узоры кожи, которые они используют для таких изысканных функций, как камуфляж и общение, и даже изменять текстуру своей кожи, чтобы она соответствовала камням или кораллам. Эта сложная биологическая эволюция дала головоногим моллюскам инструменты, позволяющие пережить миллионы лет хищничества со стороны угрей, акул и бесчисленных рыб.
Хотя в природе существует множество механизмов маскировки, головоногие моллюски широко изучаются из-за их драматического и тщательно продуманного механизма маскировки. Хроматофоры, распределенные по коже головоногих, играют решающую роль и вдохновляют ученых своим беспрецедентным потенциалом в новых инженерных системах с распределенным интеллектом. Инновационный LAC, вдохновленный головоногими моллюсками, разработанный в Rutgers, состоит из трех компонентов: светочувствительных мышц, растягиваемого мешка и жесткого каркаса.
В исследовании исследователи описали разработку двух гидрогелей для 3D-печати , или умных гелей, используемых для создания LAC. Они разработали светочувствительную мышцу, сделанную из гидрогеля для 3D-печати, которая воспринимает свет и меняет форму. Для этого инженеры включили в гидрогель светочувствительный наноматериал, превратив его в «искусственную мышцу», которая сокращается в ответ на изменение света.
Они также разработали растяжимый гидрогелевый материал на основе акриловой кислоты для 3D-печати, который может раскрывать цвета при изменении света. В сочетании со светочувствительным интеллектуальным гелем трехмерный эластичный материал меняет цвет, что приводит к желаемому камуфляжному эффекту. Помимо создания фотоактивного гидрогеля в качестве светочувствительной мышцы и гидрогеля акриловой кислоты в виде растягиваемого мешка, команда также использовала раствор синтетического форполимера для сшивания PEGDA 250 в качестве жесткого каркасного материала из-за его относительно стабильного набухания на поверхности изменение температуры.
Для изготовления LAC инженеры использовали специально разработанную технику 3D-печати с проекционной микростереолитографией из нескольких материалов, технологию аддитивного производства с высоким разрешением, позволяющую создавать сложные 3D-архитектуры сантиметрового масштаба с экстремальным разрешением, приближающимся к разрешению отдельных клеток млекопитающих. После печати жесткого каркаса с использованием PEGDA 250 они спроецировали узорчатый УФ-свет для фотополимеризации раствора предшественника. Затем они удалили остаточный материал в области печати с помощью вакуумного насоса, а затем в автоматическом режиме трижды промыли этанолом. Затем были созданы две отдельные светочувствительные мышцы, объединяющие мышцы с жестким каркасом. Наконец, они изготовили растягивающийся мешок и повторяли этот процесс до тех пор, пока не напечатали все три материала для изготовления LAC,
Электронные дисплеи повсюду, и, несмотря на значительные достижения, такие как становление тоньше, больше и ярче, они основаны на жестких материалах, что ограничивает формы, которые они могут принимать, и то, как они взаимодействуют с трехмерными поверхностями», — сказал старший автор Ховон Ли. Доцент кафедры механической и аэрокосмической техники Рутгерса . «Наши исследования поддерживают новый инженерный подход с использованием камуфляжа, который можно добавить к мягким материалам и создать гибкие красочные дисплеи».
Наряду с соавторами Daehoon хань, пост-докторских сотрудниками Университета Миннесоты «ов Машиностроительного факультета ; и докторанты Rutgers по машиностроению Юэпин Ван и Чен Ян, Ли представили систему искусственных материалов, которая может превращать световой поток в цветные узоры.
Это исследование, поддерживаемое Национальным научным фондом (NSF), успешно доказало, что цветовой тон LAC может переходить с черного на белый в течение двух минут света от цифрового проектора. Кроме того, он показал создание различных бинарных цветовых паттернов из массива из трех LAC, имитирующих уникальную способность хроматофоров головоногих моллюсков воспринимать и действовать как независимая единица. В будущем, добавляя различные красители к эластичному гидрогелю, исследователи могут изменить текущий черно-белый бинарный цветовой узор на более яркое цветовое выражение. Следующие шаги включают повышение чувствительности технологии, времени отклика, масштабируемости, упаковки и долговечности.
