Pinze morbide biomimetiche stampate in 3D

Ricercatori cinesi progettano robotica e pinze morbide biomimetiche stampate in 3D

Nella materia soffice magnetoattiva programmabile in forma stampata in 3D e pubblicata di recente per applicazioni biomimetiche , i ricercatori cinesi esplorano lo sviluppo di un materiale ad alte prestazioni che si trasforma rapidamente da una forma all’altra come richiesto per applicazioni specifiche.

Gli scienziati dei materiali continuano a essere ispirati dalla natura in molti dei loro studi e conseguenti innovazioni oggi e mentre la stampa 3D si trasforma in stampa 4D con forme che si deformano e poi ritornano alla loro forma originale, la stessa fabbricazione digitale continua ad espandersi. La maggior parte di questi materiali e la conseguente deformazione sono guidati da forze esterne nell’ambiente come temperatura o umidità e possono essere utilizzate come geometrie complesse per applicazioni come medicina, robotica e altro.

In questo studio, gli autori esaminano l’uso del controllo del campo magnetico e dei materiali morbidi magneto-attivi (MASM) poiché offrono il potenziale sia per i sensori che per gli attuatori. Precedenti ricerche sono state condotte con la stampa magnetica 3D, risultando nella fabbricazione di entrambi i compositi anisotropi accoppiati a magneti.

Con una nuova “strategia di programmazione delle forme”, l’obiettivo di questo studio era creare forme stabili che si trasformano rapidamente e sono anche programmabili. Il team di ricerca ha messo in pratica i vantaggi della stampa 3D:

“Con i vantaggi della stampa 3D, questo approccio alla produzione consente agli elementi strutturali magnetici di qualsiasi forma, distribuzione e orientamento di generare profili di magnetizzazione anisotropica. Questo metodo ci consente di programmare il momento magnetico nella matrice morbida, abilitando le capacità di attuazione desiderate dei MASM. Le proprietà di deformazione dei MASM di forma programmabili sono state studiate sinteticamente e il meccanismo fisico correlato è stato proposto. “

“Con queste eccellenti capacità, varie strutture biomimetiche (vermi polmonari, mante e pinze morbide) possono essere facilmente fabbricate con funzioni di camminata, nuoto e presa sotto il campo magnetico uniforme (UMF). Questo approccio proposto può compensare le carenze dei metodi di programmazione esistenti e apre nuove strade per capitalizzare appieno il potenziale dei MASM. “

Il PLA è stato miscelato con un rapporto di volume 6: 1 con particelle di ferro carbonilico (CIP), miscelato meccanicamente per 30 minuti e quindi aggiunto all’estrusore di una stampante 3D FDM.

“Qui, va notato che la stampa di elementi strutturali magnetici è solo uno dei metodi per la progettazione del momento magnetico. La regolazione del momento magnetico può anche dipendere dalla distribuzione delle particelle e dal dominio magnetico “, hanno spiegato i ricercatori.

Alla stampa 3D, tuttavia, le strutture magnetiche erano composte da proprietà ferromagnetiche isotrope dovute alla dispersione uniforme delle particelle di PLA. Il team ha stampato in 3D campioni con una varietà di diversi elementi strutturali magnetici orientati, confermando che queste differenze hanno influito sulle proprietà meccaniche dei MASM.

Alla fine, i ricercatori sono stati in grado di creare una gamma di strutture biomimetiche ispirate alla natura come il verme, la manta e un dispositivo di presa morbido. I campioni fabbricati sono stati anche ispirati da animali come serpenti e molluschi e le forme MASM sono state in grado di imitare le loro strutture e movimenti; tuttavia, la magnetizzazione dipendeva dalla distribuzione e dall’orientamento degli elementi strutturali magnetici adiacenti, il che significa che la magnetica complessiva deve essere considerata per l’efficienza richiesta.

Le strutture campione, “fabbricate con successo”, hanno mostrato potenziale per funzionalità in esercizi come locomozione, nuoto e afferramento. Hanno anche mostrato le proprietà meccaniche desiderate con stabilità e precisione nel cambio di forma, garantendo le prestazioni richieste per la progettazione futura di attuatori e innovazioni robotiche.

Dopo aver considerato la bassa densità, l’eccellente flessibilità e le proprietà adeguate per l’attivazione, il team ha continuato ad andare avanti con il proprio progetto, realizzando robot e attuatori soft:

Il design a pollice viene trasformato in un robot morbido in grado di “camminare” su una piastra dentata creata dai ricercatori.
Il design della manta ha ispirato un altro robot morbido con “muscoli e apertura alare” composto sia da MASM che da SR. Era persino in grado di nuotare sott’acqua.
La pinza morbida ha funzionato oltre a quella di dispositivi simili convenzionali, con presa e rilascio manipolati dall’azionamento magnetico.
“Questo lavoro utilizza semplicemente il campo magnetico uniforme (UMF) solo come attuazione, ma comportamenti di attuazione più complessi possono anche essere generati utilizzando il campo magnetico gradiente. L’approccio proposto apre nuove strade per sfruttare appieno il potenziale dei MASM, consentendo ai ricercatori di sviluppare una vasta gamma di attuatori morbidi che sono fondamentali nelle applicazioni di robotica leggera, cure mediche e bioniche “, hanno concluso gli autori dopo aver completato il loro studio.

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