Impressão multimaterial rotacional de filamentos helicoidais para robótica macia e compósitos estruturais

Os materiais na natureza raramente são retos. Em nossos corpos, as proteínas se agrupam em filamentos helicoidais que permitem que nossos músculos se contraiam. As plantas mudam de forma porque as fibras de celulose são dispostas helicoidalmente dentro de suas paredes celulares.

Os cientistas que procuram imitar as estruturas helicoidais que constituem os sistemas biológicos devem criar novas ferramentas que possam padronizar com precisão diferentes materiais com composição, arquitetura e propriedades locais programáveis.

Pesquisadores da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences e do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering da Harvard University desenvolveram um método de impressão 3D multimaterial rotacional para criar filamentos helicoidais. Usando essa nova abordagem, a equipe projetou e fabricou músculos artificiais e treliças elásticas para uso em robótica leve e aplicações estruturais.

A pesquisa da equipe foi publicada na Natureza.

“Nossa plataforma de fabricação aditiva abre novos caminhos para a geração de matéria arquitetada multifuncional em motivos bioinspirados”, disse Jennifer Lewis, professora Hansjorg Wyss de engenharia biologicamente inspirada na SEAS e autora sênior do estudo.

Lewis também é membro do Corpo Docente do Wyss Institute.

A nova cabeça de impressão consiste em quatro cartuchos de tinta, cada um contendo materiais diferentes. As tintas são então alimentadas através de um bocal complexo que permite que vários materiais sejam impressos simultaneamente. À medida que o bocal gira e translada, as tintas extrudadas formam um filamento com características helicoidais incorporadas.

“A impressão multimaterial rotacional nos permite gerar filamentos helicoidais funcionais e redes estruturais com arquitetura precisamente controlada e, em última análise, desempenho”, disse Natalie Larson, pós-doutoranda da SEAS e primeira autora do estudo.

Em colaboração com David Clarke, professor de materiais da Extended Tarr Family, a equipe imprimiu músculos artificiais na forma de filamentos atuadores de elastômeros dielétricos helicoidais que podem se contrair sob uma tensão aplicada. Os eletrodos condutores formam hélices entrelaçadas encapsuladas em uma matriz de elastômero macio. Ao ajustar o quão firmemente esses eletrodos helicoidais são enrolados, pode-se programar a resposta contrátil desses atuadores.

A equipe também projetou treliças estruturais com rigidez variável, incorporando molas helicoidais rígidas em uma matriz macia e complacente – como molas de metal em um colchão macio. A rigidez geral do material pode ser ajustada ajustando o aperto das molas dentro da matriz. Essas estruturas helicoidais ajustáveis ​​podem ser usadas para fazer juntas ou dobradiças em sistemas robóticos macios.

O cabeçote de impressão consiste em quatro cartuchos de tinta, cada um contendo materiais diferentes. As tintas são então alimentadas através de um bocal complexo que permite que vários materiais sejam impressos simultaneamente.

Em seguida, a equipe pretende aproveitar os recursos desse novo método de impressão 3D para criar estruturas ainda mais complexas. “Ao projetar e construir bocais com recursos internos mais extremos, a resolução, complexidade e desempenho dessas estruturas bioinspiradas hierárquicas podem ser aprimoradas”, disse Larson.