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一种结合软质材料的新方法

文章出处:未知 责任编辑:香港hpv疫苗 作者:香港hpv疫苗 发表时间:2018-03-05 14:03

从第一支矛到最新的智能手机,每个复杂的人体工具都包含多种楔形,绑缚,拧紧,胶合或焊接在一起的材料。但是,从自动柔软机器人到灵活可穿戴设备的下一代工具将变得柔软。将多种软材料组合成一台复杂的机器需要一个全新的工具箱 - 毕竟,没有软螺丝这样的东西。

目前用于结合软材料的方法是有限的,依赖于可限制制造过程的粘合剂或表面处理。例如,在3D打印过程中每滴墨水脱落之前,涂胶或进行表面处理没有多大意义。但是现在,来自哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员已经开发出一种新方法来化学键合多种独立于制造工艺的软质材料。原则上,该方法可以应用于任何制造工艺,包括3D打印和涂层。这种技术为制造更复杂的软机打开了大门。

该研究发表在Nature Communications。

“这项技术使我们能够在不牺牲材料性能的情况下将各种水凝胶和弹性体结合在各种制造工艺中,”SEAS博士后研究员,本文的共同第一作者Qiqi Liu说。“我们希望这将为快速成型和大规模生产用于医疗保健,时尚和增强现实的仿生软设备铺平道路。”

研究人员专注于软件设备,水凝胶(导体)和弹性体(绝缘体)两种最常用的构件。为了结合这些材料,该团队将化学偶联剂混合到了水凝胶和弹性体的前体中。偶联剂看起来像带有小尾巴的分子手。当前体形成材料网络时,偶联剂的尾部连接到聚合物网络,而手保持打开。当水凝胶和弹性体在制造过程中结合在一起时,空闲的手跨过材料边界并摇动,在两种材料之间产生化学键。“握手”的时间可以通过多种因素(如温度和催化剂)进行调整,从而在键合发生之前允许不同的制造时间。

研究人员表明,该方法可以粘合两种铸造材料,如胶水,但不在接口上涂胶层。该方法还允许以不同顺序涂覆和印刷不同的软材料。在所有情况下,水凝胶和弹性体都能产生强大,持久的化学键。

“软件设备的制造涉及多种水凝胶和弹性体的整合方式,包括直接附着,铸造,涂布和印刷,”SEAS博士后兼该论文的第一作者杨灿辉说。“目前每种方法只能使用两种或三种制造方法,而我们的新技术是多功能的,并能够通过各种方式来整合材料。”

研究人员还表明,水凝胶 - 正如其名称所暗示的主要是水 - 可以使用粘合涂层在高温下制成耐热性,从而延长基于水凝胶的装置可以使用的温度范围。例如,现在可以在不沸腾的情况下熨烫基于水凝胶的可穿戴设备。

“最近的一些发现表明,水凝胶能使电气设备远远超出以前的想象,”SEAR的力学和材料教授,本文的资深作者Zhigang Suo,Allen E.和Marilyn M. Puckett教授说。“这些器件模仿肌肉,皮肤和轴突的功能,就像微电子集成电路一样,这些器件通过集成不同的材料起作用,这种工艺可以在各种制造工艺中的软质材料之间形成强大的粘合力,可以想象,氨纶般的触摸板和显示屏,可以穿,洗,熨。”

本研究由浙江大学国栋年与绍兴区合着。它得到了国家科学基金会哈佛大学材料研究科学与工程中心(MRSEC)的支持。

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