Flexible Roboter oder tragbare Geräte leicht zu halten, ist eine ständige Herausforderung für Ingenieure und Ingenieurinnen: Schwerere Materialien benötigen mehr Energie, um bewegt zu werden, und bei tragbaren Geräten oder Prothesen können sie Unbehagen verursachen. Elastomere sind synthetische Polymere, die mit einer Reihe von mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können, die von Steifigkeit bis Dehnbarkeit reichen, was sie zu einem beliebten Material für solche Anwendungen macht. Bisher war die Herstellung von Elastomeren, die zu komplexen 3D-Strukturen geformt werden können, die sich von steif zu gummiartig verändern, jedoch nicht realisierbar.
"Elastomere werden in der Regel geformt, was es nicht erlaubt, ihre dreidimensionale Zusammensetzung über kurze Längenskalen zu verändern. Um dieses Problem zu lösen, haben wir DNGE entwickelt: 3D-druckbare granulare Elastomere mit doppeltem Netzwerk, deren mechanische Eigenschaften in einem noch nie dagewesenen Ausmass variieren können", sagt Esther Amstad, Leiterin des Labors für weiche Materie an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL.
Aufgrund dieser Vorteile glauben die Wissenschaftler, dass DNGE das Design von flexiblen Aktuatoren, Sensoren und tragbaren Geräten erleichtern könnte, die keine schweren und sperrigen mechanischen Dichtungen mehr benötigen. Ihre Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
Zwei Elastomernetzwerke, doppelte Vielseitigkeit
Der Schlüssel zur Vielseitigkeit der DNGEs liegt in der Konstruktion von zwei Elastomernetzwerken. Zunächst werden elastomere Mikropartikel aus Tropfen einer Öl-in-Wasser-Emulsion hergestellt. Diese Mikropartikel werden in eine Vorläuferlösung gebracht, wo sie elastomere Verbindungen aufnehmen und aufquellen. Anschließend werden die gequollenen Mikropartikel zur Herstellung einer 3D-druckbaren Tinte verwendet, die in einen Bio-Drucker geladen wird, um die gewünschte Struktur zu erzeugen. Die Vorstufe wird in die 3D-gedruckte Struktur einpolymerisiert, wodurch ein zweites elastomeres Netzwerk entsteht, das das gesamte Objekt versteift.Während die Zusammensetzung des ersten Netzes die Steifigkeit der Struktur bestimmt, definiert das zweite Netz die Zähigkeit. Mit anderen Worten: Die beiden Netzwerke können unabhängig voneinander eingestellt werden, um sowohl Steifigkeit als auch Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit zu erreichen. Die Verwendung von Elastomeren anstelle von Hydrogelen, die in fortschrittlichen Ansätzen verwendet werden, hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Strukturen ohne Wasser hergestellt werden können, was sie im Laufe der Zeit stabiler macht. Darüber hinaus können DNGEs mit handelsüblichen 3D-Druckern gedruckt werden.
"Das Interessante an unserem Ansatz ist, dass er von jeder Person mit einem handelsüblichen Biodrucker verwendet werden kann", betont Esther Amstad.
Geräte für die bewegungsgesteuerte Rehabilitation könnten eine interessante Anwendung für DNGE sein. Bei solchen Vorrichtungen könnte sich die Fähigkeit, die Bewegung in eine Richtung zu unterstützen und sie gleichzeitig in eine andere Richtung zu begrenzen, als sehr nützlich erweisen. Die Weiterentwicklung der DNGE-Technologie könnte zur Schaffung von Prothesen oder sogar Bewegungsführern führen, die Chirurginnen und Chirurgen bei ihrer Arbeit unterstützen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Bewegungserkennung aus der Ferne, z. B. bei der robotergestützten Ernte oder der Unterwasserforschung.
Laut Esther Amstad arbeitet das Labor für weiche Materie bereits an den nächsten Schritten zur Entwicklung dieser Anwendungen, indem aktive Elemente wie reaktive Materialien und elektrische Verbindungen in die DNGE-Strukturen eingebaut werden.
