Исследовательская группа из Университета Пенсильвании (Penn), Гарвардского университета и Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) разработала новаторский метод 3D-печати, названный коаксиальной прямой чернильной записью (Coaxial Direct Ink Writing – DIW), для создания сложных материалов, способных изменять цвет. В основе технологии лежат холестерические жидкокристаллические эластомеры (CLCE), что открывает путь к созданию умного текстиля и продвинутой робототехники. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.
Холестерические жидкокристаллические эластомеры (CLCE) представляют собой уникальный класс мягких, эластичных материалов, похожих на резину, известных своими яркими цветами и способностью изменять окраску в зависимости от формы и приложенного напряжения. Их молекулярная структура позволяет манипулировать светом, создавая цветовые эффекты, подобные тем, что наблюдаются в кольцах настроения, аквариумных термометрах или планшетах Boogie Board.
Примененный метод коаксиальной прямой чернильной записи (DIW) включает печать прозрачной силиконовой оболочки, служащей каркасом для ядра из CLCE. Ключевым аспектом стала точная настройка условий DIW, особенно скоростей сдвига, для сохранения яркости цвета и точности печати при создании сложных структур, таких как бистабильные купола.
Полученные 3D-печатные структуры обладают мультистабильностью, то есть могут существовать в нескольких устойчивых состояниях, например, резко открываться или закрываться. Изменение цвета материала служит визуальным индикатором приложенного напряжения или деформации, что позволяет дистанционно обнаруживать механические воздействия. Метод позволяет печатать CLCE в виде заданных сложных форм и архитектур, включая двумерные и трехмерные массивы метаматериалов.
Вдохновителями исследования стали Алисия Нг (Alicia Ng), стажер LLNL и исследователь Penn, и Шу Янг (Shu Yang) из Penn. Прорывная идея была реализована в партнерстве с Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis) и Родриго Теллесом (Rodrigo Telles) из Гарварда. Со стороны LLNL в работе участвовали инженеры и ученые Элейн Ли (Elaine Lee), Кэтрин Райли (Katherine Riley) и Кейтлин Кук Крикориан (Caitlyn Cook Krikorian).
Основными трудностями, которые преодолела команда, были поиск подходящего материала и тонкая настройка параметров процесса DIW. Как отметила Кейтлин Кук Крикориан, потребовалось сбалансировать яркость цвета и точность печати для конкретных структур, таких как бистабильные купола, путем оптимизации скоростей сдвига.
На данный момент продемонстрирована возможность печати бистабильных купольных конструкций, где изменение цвета четко сигнализирует о приложенном напряжении. Это подтверждает потенциал использования таких материалов в качестве визуальных индикаторов механического состояния.
Потенциальные области применения этой технологии обширны. Кэтрин Райли указывает на возможности создания умного текстиля, передовых робототехнических систем, например, захватов, способных резко открываться и закрываться, а также листов метаматериалов для пассивного зондирования и регистрации механических нагрузок.
Другие перспективные направления включают системы механической логики, выполняющие вычисления без традиционной электроники, пассивные дисплеи на основе массивов 2D/3D метаматериалов, датчики, отображающие различные уровни механической нагрузки разными цветами, и сенсоры для удаленного обнаружения деформации, напечатанные непосредственно в нужной форме. Технология также может использоваться для экспериментального картирования и проверки распределения напряжений в сложных архитектурах.
В планах исследователей – разработка нового класса 3D-печатных «разумных материалов» (sentient materials) в рамках стратегической инициативы Лаборатории направленных исследований и разработок (LDRD). Целью является создание материалов со свойствами, подобными синтетическим мышцам, и расширенными сенсорными возможностями.
Будущие исследования, возглавляемые Кейтлин Кук Крикориан и Элейн Ли, сосредоточатся на увеличении сложности печатных архитектур и сравнении экспериментальных результатов с напряжениями, наблюдаемыми в компьютерных симуляциях. Также будет изучаться способность материалов изменять и фиксировать свою жесткость в реальном времени в зависимости от условий нагрузки, с интеграцией в автоматизированную лабораторию материалов LLNL и использованием стратегий машинного обучения для ускорения итераций дизайна.
Команда стремится к дальнейшему совершенствованию возможностей печати и практической интеграции этих ярких, отзывчивых материалов. Ожидается, что эти достижения продвинут отрасли, зависящие от умных материалов и робототехники, хотя текущие результаты рассматриваются лишь как «вершина айсберга» в области печатных архитектур.
Изображение носит иллюстративный характер
Холестерические жидкокристаллические эластомеры (CLCE) представляют собой уникальный класс мягких, эластичных материалов, похожих на резину, известных своими яркими цветами и способностью изменять окраску в зависимости от формы и приложенного напряжения. Их молекулярная структура позволяет манипулировать светом, создавая цветовые эффекты, подобные тем, что наблюдаются в кольцах настроения, аквариумных термометрах или планшетах Boogie Board.
Примененный метод коаксиальной прямой чернильной записи (DIW) включает печать прозрачной силиконовой оболочки, служащей каркасом для ядра из CLCE. Ключевым аспектом стала точная настройка условий DIW, особенно скоростей сдвига, для сохранения яркости цвета и точности печати при создании сложных структур, таких как бистабильные купола.
Полученные 3D-печатные структуры обладают мультистабильностью, то есть могут существовать в нескольких устойчивых состояниях, например, резко открываться или закрываться. Изменение цвета материала служит визуальным индикатором приложенного напряжения или деформации, что позволяет дистанционно обнаруживать механические воздействия. Метод позволяет печатать CLCE в виде заданных сложных форм и архитектур, включая двумерные и трехмерные массивы метаматериалов.
Вдохновителями исследования стали Алисия Нг (Alicia Ng), стажер LLNL и исследователь Penn, и Шу Янг (Shu Yang) из Penn. Прорывная идея была реализована в партнерстве с Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis) и Родриго Теллесом (Rodrigo Telles) из Гарварда. Со стороны LLNL в работе участвовали инженеры и ученые Элейн Ли (Elaine Lee), Кэтрин Райли (Katherine Riley) и Кейтлин Кук Крикориан (Caitlyn Cook Krikorian).
Основными трудностями, которые преодолела команда, были поиск подходящего материала и тонкая настройка параметров процесса DIW. Как отметила Кейтлин Кук Крикориан, потребовалось сбалансировать яркость цвета и точность печати для конкретных структур, таких как бистабильные купола, путем оптимизации скоростей сдвига.
На данный момент продемонстрирована возможность печати бистабильных купольных конструкций, где изменение цвета четко сигнализирует о приложенном напряжении. Это подтверждает потенциал использования таких материалов в качестве визуальных индикаторов механического состояния.
Потенциальные области применения этой технологии обширны. Кэтрин Райли указывает на возможности создания умного текстиля, передовых робототехнических систем, например, захватов, способных резко открываться и закрываться, а также листов метаматериалов для пассивного зондирования и регистрации механических нагрузок.
Другие перспективные направления включают системы механической логики, выполняющие вычисления без традиционной электроники, пассивные дисплеи на основе массивов 2D/3D метаматериалов, датчики, отображающие различные уровни механической нагрузки разными цветами, и сенсоры для удаленного обнаружения деформации, напечатанные непосредственно в нужной форме. Технология также может использоваться для экспериментального картирования и проверки распределения напряжений в сложных архитектурах.
В планах исследователей – разработка нового класса 3D-печатных «разумных материалов» (sentient materials) в рамках стратегической инициативы Лаборатории направленных исследований и разработок (LDRD). Целью является создание материалов со свойствами, подобными синтетическим мышцам, и расширенными сенсорными возможностями.
Будущие исследования, возглавляемые Кейтлин Кук Крикориан и Элейн Ли, сосредоточатся на увеличении сложности печатных архитектур и сравнении экспериментальных результатов с напряжениями, наблюдаемыми в компьютерных симуляциях. Также будет изучаться способность материалов изменять и фиксировать свою жесткость в реальном времени в зависимости от условий нагрузки, с интеграцией в автоматизированную лабораторию материалов LLNL и использованием стратегий машинного обучения для ускорения итераций дизайна.
Команда стремится к дальнейшему совершенствованию возможностей печати и практической интеграции этих ярких, отзывчивых материалов. Ожидается, что эти достижения продвинут отрасли, зависящие от умных материалов и робототехники, хотя текущие результаты рассматриваются лишь как «вершина айсберга» в области печатных архитектур.
