ساخت انگشت مصنوعی انعطاف‌پذیر بدون اتصال مکانیکی

محققان از الاستومرهای دانه‌ای دوگانه قابل چاپ سه‌بعدی یا به اختصار DNGE برای چاپ نمونه اولیه یک «انگشت» استفاده کردند که با «استخوان» سفت و سخت و بافت «گوشت» انعطاف پذیر احاطه شده بود.

به نقل از آی‌ای، محققان اکول پلی‌تکنیک فدرال لوزان (EPFL) روشی را کشف کرده‌اند که به طور بالقوه می‌تواند حوزه رباتیک پوشیدنی و نرم را تغییر دهد.

ایجاد محصولات رباتیک نرم و سبک یا دستگاه‌های پوشیدنی بدون به خطر انداختن عملکرد آنها، مدت‌هاست که یک چالش باقی مانده است. استفاده از مواد سنگین نه تنها به انرژی بیشتری برای جابجایی نیاز دارد، بلکه باعث ایجاد ناراحتی به خصوص در مورد پوشیدنی‌ها یا پروتزها می‌شود.

الاستومرها به عنوان یک ماده محبوب برای چنین کاربردهایی ظاهر شده‌اند. آنها پلیمرهای مصنوعی با طیف وسیعی از خواص مکانیکی هستند. با این حال، ساخت پلیمرهایی که می‌توانند به ساختارهای پیچیده سه بعدی با سفتی متغیر تبدیل شوند، تاکنون یک مانع قابل توجه بوده است.

استر امستاد (Esther Amstad)، رئیس آزمایشگاه مواد نرم در دانشکده مهندسی اکول پلی‌تکنیک فدرال لوزان در  این باره توضیح داد: الاستومرها معمولا به گونه‌ای ریخته می‌شوند که ترکیب آنها را نمی‌توان در هر سه بُعد در مقیاس‌های کوتاه تغییر داد. برای غلبه بر این مشکل، ما DNGE‌ها را توسعه دادیم که الاستومرهای دانه‌ای دوگانه قابل چاپ سه بعدی هستند که خواص مکانیکی آنها به میزان بی‌سابقه‌ای متغیر است.

ایوا بور (Eva Baur)، یک دانشجوی دکترا از DNGE برای چاپ نمونه اولیه انگشتی استفاده کرد که با استخوان سفت و سخت احاطه شده بود. این انگشت برای نشان دادن پتانسیل ساخت دستگاه‌هایی است که به اندازه کافی انعطاف پذیر هستند تا خم شوند و کشش پیدا کنند و در عین حال به اندازه کافی محکم هستند که با آنها اشیا را دستکاری کرد.

شبکه دو برابری، تطبیق پذیری دوبرابری

محققان دو شبکه الاستومری را مهندسی کردند. ریزذرات الاستومری تولید شده از قطره‌های امولسیون روغن در آب در محلول پیش‌ساز قرار می‌گیرند، در آن جا ترکیبات الاستومری را جذب کرده و متورم می‌شوند. سپس از ریزذرات متورم شده برای ساخت جوهر قابل چاپ سه بعدی استفاده می‌شود که برای ایجاد ساختار مورد نظر در یک چاپگر زیستی قرار داده می‌شود. پیش‌ساز در ساختار چاپ سه بعدی پلیمریزه می‌شود و شبکه الاستومری دوم را ایجاد می‌کند. این شبکه دوم کل شی را سفت و سخت می‌کند.

در حالی که ترکیب شبکه اول سختی سازه را تعیین می‌کند، شبکه دوم کل جسم را سفت می‌کند. این دو شبکه را می‌توان به طور مستقل تنظیم کرد تا ترکیبی از سختی و مقاومت به دست آید.

علاوه بر این، استفاده از الاستومرها بر روی هیدروژل‌ها که ماده‌ای است که در روش‌های پیشرفته استفاده می‌شود، این مزیت را دارد که ساختارهایی بدون آب و پایدارتر در طول زمان ایجاد شود. برای تکمیل آن، DNGE‌ها را می‌توان با استفاده از چاپگرهای سه بعدی موجود در بازار چاپ کرد.

فناوری DNGE می‌تواند در پروتزها و راهنماهای حرکتی برای کمک به جراحان استفاده شود.

برنامه‌های کاربردی بالقوه و چشم اندازها

توسعه DNGE‌ها طیف گسترده‌ای از برنامه‌های کاربردی بالقوه را ممکن می‌کند. یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردها در زمینه توانبخشی با هدایت حرکتی است. توانایی پشتیبانی از حرکت در یک جهت در حالی که آن را در جهت دیگر محدود می‌کند، می‌تواند تحولی در توسعه پروتزها و راهنمای حرکت برای کمک به جراحان باشد. علاوه بر این، امکان سنجش حرکات از راه دور می‌تواند در مناطقی مانند برداشت محصول به کمک ربات یا اکتشاف زیر آب بسیار ارزشمند باشد.

جزئیات این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.