La 4D-печать с использованием серы Это направление становится одним из наиболее перспективных на стыке новых материалов и мягкой робототехники. Начиная с избыток элементарной серы, образующийся при переработке нефтиКоманда из Южной Кореи разработала систему для производства компонентов, которые деформируются, двигаются и подлежат переработке без использования двигателей или клея — задача, которую до сих пор было трудно решить.
Этот подход предполагает изменение образа мышления: то, что раньше было неудобный побочный продукт оно становится основой программируемые мягкие роботыспособный реагировать на тепло, свет или магнитные поля. Помимо научного значения, данное предложение представляет собой идею производство почти в замкнутый контургде детали используются повторно снова и снова без потери производительности.
La 4D-печать с использованием серы ставит промышленные отходы в центр нового поколения программируемые и пригодные для вторичной переработки мягкие роботыЭти прототипы способны двигаться под воздействием простых стимулов и собираться без клея. Хотя до того, как эти прототипы станут коммерческими продуктами, еще далеко, такой подход хорошо согласуется с поиском более экологичных интеллектуальных материалов и показывает, как трудноуправляемый избыток может стать ключевым компонентом робототехники будущего.
Что именно представляет собой 4D-печать с использованием серы?
Когда вы говорите о Распечатать 4DРечь идёт не о таинственном четвёртом измерении, а о включении в него... фактор времени к поведению напечатанного объекта. В отличие от традиционной 3D-печати, которая создает статические детали, здесь структуры «программируются» для изменение формы или жесткости когда они получают определенные внешние стимулы.
В случае этой технологии на основе серы, напечатанные детали могут сложить, развернуть или восстановить предыдущую геометрию Воздействие тепла или света аналогично тому, как некоторые пластиковые листы сжимаются или деформируются при нагревании. Разница в том, что здесь эта реакция изначально заложена с точностью и четкой функциональной целью.
Роль серы не является чем-то случайным: она поступает из... отходы, образующиеся в нефтяной промышленностигде ежегодно накапливаются миллионы тонн этого элемента. Вместо того чтобы хранить его бесконечно, новый подход интегрирует его в передовую производственную систему, обеспечивая согласование инновации в робототехнике и сокращение промышленных излишков.
Этот метод печати также вносит определенную «интеллектуальность» в сам материал. Для управления роботом не используется внешний электронный модуль; вместо этого он полагается на присущие материалу свойства. внутренние свойства полимера чтобы конструкция точно реагировала в тот момент, когда этого требует окружающая среда или пользователь.
Полимер PSN: богатые серой сетчатые структуры с эффектом памяти формы.
В основе предложения лежит новый богатый серой полимер, описываемый как сети поли(фениленполисульфидов) или PSNНа структурном уровне это сеть цепочек, связанных атомами серы, нечто вроде решетки из молекулярных «спагетти», соединенных вместе, в результате чего образуется непрерывный и прочный материал.
Решающей особенностью является его температура стеклованияЭто точка, в которой материал переходит из более жесткого состояния, подобного пластиковой карточке, в более мягкое, эластичное состояние. Используя этот порог, детали могут сохраняет свою форму в холодном состоянии и становятся пластичными при нагревании до соответствующей температуры.
Благодаря этому контролируемому переходу, структуры, напечатанные с использованием PSN, демонстрируют свойства памяти формыИными словами, они могут временно деформироваться и, после удаления или изменения стимула, возвращаться к заданной конфигурации. Такое поведение является ключевым для достижения повторяющихся движений без использования традиционных механизмов.
Сочетание богатой серой химической сетки и эффекта памяти формы позволяет создавать компоненты, которые действуют как мягкие «мышцы» или «шарниры». В результате получается гибкие роботы чья способность к движению буквально заложена в самом исходном материале.
Движение без двигателей: тепло, свет и магнитные поля.
Вместо использования сервомоторов, шестеренок или громоздких батарей эти мягкие устройства приводятся в действие с помощью... немеханические стимулыПервыми триггерами являются тепло и свет: изменяя температуру полимера PSN или подвергая его контролируемому облучению, детали можно складывать, растягивать или сгибать в соответствии с запрограммированным шаблоном.
Помимо регулирования температуры и освещения, исследователи изучали использование следующих методов: Campos MagnéticosДля достижения этой цели они смешали полимер примерно с одним 20% магнитных частицСоздание композитного материала, реагирующего на внешние магниты. Таким образом, были созданы небольшие роботы размером менее 1,3 сантиметра, способные передвигаться под внешним воздействием.
Этот тип магнитного управления напоминает перемещение скрепки с помощью магнита под столом, но выполнен на гораздо более высоком уровне точности. Роботу не требуются сложные внутренние компоненты: для работы устройства достаточно изменения направления или интенсивности магнитного поля. измените свою траекторию или осанку..
Отсутствие двигателей также означает меньшее количество точек отказа, меньшие требования к техническому обслуживанию и более простую интеграцию в среды, где пространство или безопасность имеют решающее значение, например, биомедицинские приложения или осмотр в узких пространствах.
Лазерная химическая сварка: модульная сборка без клея.
Ещё одним ключевым аспектом процесса является система сборки. Вместо клея, винтов или механических крепежных элементов детали PSN соединяются с помощью химическая сварка с использованием лазера ближний инфракрасный диапазон. При выдержке всего около восьми секунд в зоне контакта происходит перестройка связей серы.
В течение этого короткого промежутка времени некоторые связи контролируемым образом разрываются и восстанавливаются, на этот раз соединяя две части. В результате получается прямое соединение, без дополнительных слоев материала и без типичных проблем клеев, таких как деградация со временем или трудности с переработкой собранной конструкции.
Благодаря отсутствию клея, система упрощает процесс. целостность конструкции например, возможность вторичной переработки, поскольку вся конструкция, по сути, остается тем же исходным полимером. Такой подход сокращает этапы сборки и упрощает производство. сменные модули.
Возможность выборочной сварки с помощью лазера также позволяет работать со сложными геометрическими формами и очень специфическими точками соединения, что является фундаментальным преимуществом при разработке мягкой робототехники с точно настроенными движениями.
Примеры сооружений: миниатюрная Саграда Фамилия и роботы, похожие на червей.
Чтобы продемонстрировать возможности своей платформы, исследователи изготовили серию миниатюрные архитектурные модели и прототипы мягких роботов. Среди наиболее ярких примеров — уменьшенная версия Саграда Фамилия и стадион с раздвижной крышей, оба объекта собраны из отдельных напечатанных блоков.
Эти модели служат доказательством геометрическая точность а также возможность создания сложных модульных конструкций. Каждый блок может изменять свою форму под воздействием тепла или света, поэтому модель не только декоративна, но и динамична.
В области, строго связанной с робототехникой, команда продемонстрировала червеобразные роботы Способны перемещаться при активации внешними стимулами. Некоторые из них основаны на тепловых изменениях, в то время как другие используют магнитные частицы для следования за полями, генерируемыми извне.
Эти прототипы еще далеки от повседневного использования, но они наглядно демонстрируют потенциал технологии: мягкие тела без внутренних двигателей, которые могут продвигаться вперед, сворачивать или преодолевать препятствия в зависимости от получаемого ими сигнала.
Замкнутый цикл переработки и устойчивое использование серы
Ключевое преимущество этого подхода заключается в его ориентации на эффективная переработкаСогласно данным, представленным командой исследователей, когда деталь или робот становятся непригодными для использования, материал PSN можно применять в качестве филамента или печатной смолы без существенной потери объема или механических свойств.
Такое поведение близко к идее а замкнутый цикл производствагде одна и та же партия материала проходит несколько циклов печати, использования и повторного использования. Для отраслей, стремящихся уменьшить свое воздействие на окружающую среду, такая схема, безусловно, привлекательна.
Одновременно с этим предлагается технологическое решение для Избыток серы, образующийся в результате переработки нефти.которые до сих пор накапливались в больших количествах или использовались в ограниченных целях. Преобразование этих отходов в сырье для мягкой робототехники вносит элемент циклической экономики, который трудно игнорировать.
В европейском контексте, где экологические нормы и цели по декарбонизации становятся все более жесткими, решения такого рода, сочетающие в себе различные подходы, являются весьма эффективными. управление отходами и высокие технологии Это может представлять особый интерес как для химической промышленности, так и для компаний, занимающихся передовой робототехникой.
Потенциальные области применения в мягкой робототехнике и смежных областях.
La мягкая робототехника Уже много лет его изучают как альтернативу классическим жестким роботам, особенно в областях, где безопасность, адаптивность и деликатность имеют решающее значение. Медицинские устройства, взаимодействующие с тканями, системы доставки лекарств и захваты для работы с хрупкими изделиями — вот некоторые из часто упоминаемых сценариев.
Материалы на основе серных отходов призваны одновременно удовлетворять нескольким требованиям: реакция на раздражители, механическая прочность и возможность вторичной переработки.Это открывает возможности для создания устройств, которые, например, могут перемещаться по узким проходам в человеческом теле, изменяя свою форму во время движения, или для разработки инструментов контроля в труднодоступных промышленных условиях.
Также рассматриваются возможные варианты использования в промышленная автоматизация и логистикагде реконфигурируемые модульные структуры могут быстро менять задачи, а также в быстром прототипировании систем, требующих многократного тестирования без использования больших объемов новых материалов.
Хотя на данный момент работа в основном ведется в лаборатории, сочетание 4D-печати, перерабатываемых материалов и обилия отходов указывает на потенциальный путь к созданию пилотных линий и внедрению технологий, более близких к рынку.
Кто стоит за исследованиями и какие задачи стоят перед нами в будущем?
Инициатива возглавляется Доктор Донг-Гюн Кимиз Корейского научно-исследовательского института химических технологий (KRICT) вместе с профессором Чон Чжэ Ви из университета Ханьян и профессор. Ён Сок Ким Проект выполнен университетом Седжон. Финансирование проекта осуществлялось за счет средств университета. Национальный исследовательский фонд Кореи и Исследовательская лаборатория армии СШАЭто отражает как гражданский, так и стратегический интерес к материалам такого типа.
Результаты опубликованы в журнале. Передовые материалыЭто одна из ведущих публикаций в области материаловедения. Этот факт свидетельствует о том, что научное сообщество сочло данное достижение достаточно существенным, чтобы привлечь к нему внимание международного сообщества.
Среди предстоящих трудностей особенно выделяются следующие: промышленная масштабируемостьСтабильность материала в реальных условиях длительного использования и проверка его пригодности в здравоохранении или сложных областях применения будут иметь решающее значение. Изучение поведения системы переработки после нескольких последовательных циклов также будет ключевым моментом.
Однако это направление работы открывает многообещающие возможности для сотрудничества между исследовательскими центрами, химической промышленностью, компаниями, занимающимися робототехникой, и, в европейском случае, участниками, заинтересованными в решениях, сочетающих технологическую конкурентоспособность и сокращение отходов.
Предлагаемая технология 4D-печати с использованием серы ставит промышленные отходы в центр разработки нового поколения решений. программируемые и пригодные для вторичной переработки мягкие роботыЭти прототипы способны двигаться под воздействием простых стимулов и собираться без клея. Хотя до того, как эти прототипы станут коммерческими продуктами, еще далеко, такой подход хорошо согласуется с поиском более экологичных интеллектуальных материалов и показывает, как трудноуправляемый избыток может стать ключевым компонентом робототехники будущего.