7 مارس 2023 – توسط دانشگاه کارلوس سوم مادرید
یک چاپگر هوشمند جدید با تطبیق مداوم پارامترهای اکستروژن، امکان ساخت مواد چند منظوره نرم را فراهم می کند. با ترکیب روش‌های تجربی و محاسباتی، مواد رسانا و مغناطیسی فعال را با خواص مکانیکی که بافت‌های بیولوژیکی را تقلید می‌کنند، چاپ می‌کند. اعتبار: UC3M
محققان دانشگاه کارلوس سوم مادرید (UC3M) نرم‌افزار و سخت‌افزاری را برای چاپگر 4 بعدی با کاربردهایی در زمینه زیست‌پزشکی ایجاد کرده‌اند. علاوه بر چاپ سه بعدی، این دستگاه امکان کنترل عملکردهای اضافی را نیز فراهم می کند: برنامه ریزی پاسخ ماده به گونه ای که تغییر شکل تحت میدان مغناطیسی خارجی رخ دهد یا تغییرات در خواص الکتریکی آن تحت تغییر شکل مکانیکی ایجاد شود. این دری را به روی طراحی ربات‌های نرم یا حسگرها و بسترهای هوشمند که سیگنال‌ها را به سیستم‌های سلولی مختلف منتقل می‌کنند، از جمله کاربردهای دیگر باز می‌کند.
این خط تحقیقاتی بر توسعه ساختارهای چند منظوره نرم متمرکز است که شامل موادی با خواص مکانیکی است که بافت‌های بیولوژیکی مانند مغز یا پوست را تقلید می‌کند. علاوه بر این، زمانی که از طریق محرک های خارجی مانند میدان های مغناطیسی یا جریان های الکتریکی فعال می شوند، می توانند شکل یا خواص خود را تغییر دهند.
این تیم از محققان تاکنون چندین پیشرفت در طراحی و ساخت این سازه ها داشته اند، اما از نظر شکل-طراحی و برنامه ریزی پاسخ های هوشمند بسیار محدود بودند. کار ارائه شده در آخرین مطالعه آنها که در مجله Advanced Materials Technologies منتشر شده است، به آنها این امکان را می دهد تا با توسعه روش چاپ 4 بعدی جدید، فرصت های جدیدی را باز کنند.
یکی از محققین، دانیل گارسیا گونزالس، رئیس پروژه و دانشیار دپارتمان مکانیک پیوسته و تئوری ساختار UC3M توضیح می دهد:
این فناوری به ما این امکان را می‌دهد که نه تنها نحوه چاپ ساختارهای سه‌بعدی را کنترل کنیم، بلکه به آنها این امکان را می‌دهیم که خواص یا هندسه خود را در پاسخ به عمل میدان‌های مغناطیسی خارجی تغییر دهند، یا توانایی تغییر خواص الکتریکی خود را در زمانی که آنها تغییر شکل می دهند.”
این نوع چاپ پیچیده است زیرا ماده ای که قرار است اکسترود شود در طول فرآیند چاپ از مایع به جامد تبدیل می شود. بنابراین درک دینامیک مواد برای انطباق با فرآیند تولید و به دست آوردن ماده ای ضروری است که در هنگام عبور از نازل چاپگر به اندازه کافی مایع باشد اما در عین حال به اندازه کافی جامد برای حفظ شکل خاصی باشد.
برای این منظور، آنها یک روش بین رشته‌ای توسعه داده‌اند که تکنیک‌های نظری و تجربی را ترکیب می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد دستگاه چاپ را از ابتدا بسازند، هم بخش فیزیکی دستگاه (سخت‌افزار) و هم برنامه‌های رایانه‌ای که امکان کنترل آن را فراهم می‌کند (نرم‌افزار).
بر اساس مطلب دیگری که اخیراً در مجله Composites Part B: Engineering منتشر شده است، محققان همچنین یک مفهوم ماده جدید را توسعه داده‌اند که می‌تواند به طور مستقل و بدون نیاز به اقدامات خارجی خود را درست کند. این ماده شامل یک ماتریس پلیمری نرم است که با ذرات مغناطیسی با میدان پسماند تعبیه شده است. برای اهداف عملی، گویی آهنرباهای کوچکی در مواد توزیع شده است، به طوری که اگر شکسته شود، وقتی قطعات حاصل دوباره به هم نزدیک شوند. دانیل گارسیا گونزالس می گوید، آنها از نظر فیزیکی به بازیابی یکپارچگی ساختاری خود خواهند پیوست.
به لطف این پیشرفت‌ها، که منجر به ثبت چندین اختراع شده است، این دانشمندان توانسته‌اند سه نوع ماده کاربردی را چاپ کنند: برخی که شکل و خواص خود را در پاسخ به میدان‌های مغناطیسی خارجی تغییر می‌دهند. دیگران با قابلیت خوددرمانی؛ و سایرین که خواص الکتریکی (رسانایی) آنها بر اساس شکل یا تغییر شکل آنها متفاوت است. با اولین نوع از مواد، آنها بسترهای هوشمندی را برای انتقال نیروها و سیگنال ها به سیستم های سلولی ایجاد کرده اند تا بتوانند فرآیندهای بیولوژیکی مانند تکثیر سلولی یا جابجایی را تحت تأثیر قرار دهند. همچنین می توان از این مواد برای طراحی ربات های نرمی استفاده کرد که عملکرد آنها توسط میدان های مغناطیسی قابل کنترل است.
ترکیبی از مواد با قابلیت های خود ترمیم شونده و خواص هدایت الکتریکی آنها با تغییر شکل، فرصت های زیادی را در توسعه حسگرها باز می کند. ما می‌توانیم به حسگرهایی فکر کنیم که به بدن ما متصل هستند، اطلاعات مربوط به حرکت ما را از تغییرات هدایت الکتریکی جمع‌آوری می‌کنند. علاوه بر این، قابلیت خود ترمیمی این ماده امکان طراحی حسگرهایی با سیگنال‌های دوتایی را فراهم می‌کند. برای مثال، اگر ما یک دانیل گارسیا گونزالس می‌گوید: آسیب زانو و نیاز به محدود کردن چرخش به حداکثر مقدار، می‌توانیم نوار کوچکی از این ماده را روی مفصل خود وارد کنیم.
به این ترتیب، زمانی که از حداکثر چرخش تجاوز کنیم، ماده شکسته می‌شود و تغییر ناگهانی در خواص الکتریکی آن نشان می‌دهد و در نتیجه یک سیگنال هشدار ارائه می‌شود. با این حال، زمانی که زانو را به حالت آرام برمی‌گردانیم، قابلیت التیام مواد منجر به بهبودی می‌شود. سیگنال الکتریکی. از این طریق می‌توانیم حرکات خود را زیر نظر داشته باشیم و در مورد شرایط خطرناک پس از جراحی یا در طول دوره‌های توانبخشی هشدار دهیم.”
