Инженеры научились программировать материалы во время 4D-печати
Инженеры из Сингапура, Китая и США разработали новую методику 4D-печати — создания объектов с «запрограммированным поведением во времени». Она основана на материалах с памятью формы, однако, в отличие от традиционных методов, не требует многостадийной закалки образцов — результат печати сразу готов к использованию. Среди возможных применений технологии авторы называют стентирование (восстановление просвета, например, в сосудах или органах). Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Материалы с памятью формы обладают способностью восстанавливать свою геометрию после деформации, в ответ на нагрев. Как правило это связано с их микроструктурой. Например, сплавы с памятью формы, подобные нитинолу, состоят из отдельных вытянутых зерен, возникающих при закалке. Если закалить нитиноловую проволоку в виде спирали, а потом распрямить ее, то зерна окажутся деформированными. Нагрев позволяет зернам вернуться в недеформированную форму.
Существуют аналогичные полимерные материалы. В отличие от сплавов они гораздо лучше предназначены для печати и прототипирования. Однако отдельная стадия закалки делает их использование неудобным. Авторы новой работы нашли способ печати полимеров с памятью формы с заранее известными термомеханическими свойствами в одну технологическую стадию. Иными словами, «программирование» формы материала в новой методике происходит в момент печати.
Инженеры использовали коммерчески доступный 3D-принтер Objet Connex. В простейших экспериментах исследователи печатали двухслойные полоски материала. Первый слой — это эластомер, полимер, способный легко растягиваться и так же легко возвращаться к исходному состоянию. Второй слой — полимер с памятью формы, гораздо более упругий при комнатной температуре.
Если после печати поместить полоску материала в тепло, она изогнется: за это ответственно сразу несколько процессов. Поначалу слои начинают расширяться — различие коэффициентов температурного расширения приводит к напряжениям в материале, но упругость полимера с памятью формы остается достаточной, чтобы не позволить пластинке изогнуться. Затем, вблизи 45 градусов Цельсия упругость полимера начинает резко падать. Двухслойная пластинка начинает изгибаться. При достижении 60 градусов Цельсия коэффициенты температурного расширения выравниваются, изгибание прекращается. Если после этого остудить пластинку, то благодаря свойствам полимера с памятью формы, она остается в изогнутом состоянии. Интересно, что при нагреве свыше 62 градусов Цельсия материал можно «перепрограммировать» на новую форму, вручную деформировав его.
Кривизну изгиба полосок ученые контролировали условиями печати слоя с памятью формы. Чем большее время уходило на обработку ультрафиолетом каждого 30-микронного слоя полимера, тем сильнее изгибался при нагреве материал. Чтобы программировать более сложное поведение авторы комбинировали слои в более сложные структуры. Например, периодически меняя последовательность слоев (сначала эластомер, потом полимер с памятью формы и наоборот) инженеры программировали полоску для превращения в извилистую линию или спираль. Многослойные конструкции можно было запрограммировать на десятикратное расширение с образованием «сетки», а также на формирование трехмерных «куполов». Авторы отмечают, что печать таких трехмерных объектов заняла бы на обычном 3D-принтере гораздо больше времени, чем их многослойных прообразов.
Как отмечает независимый эксперт, Джефф Спинкс из австралийского Университета Вуллонгонга, разработку, к сожалению, нельзя использовать для «мягкой робототехники» — искусственных мускул и тому подобного. Материал необратимо фиксирует свою форму после нагрева. Однако это свойство применимо в других областях — например, с его помощью можно восстанавливать просветы в сосудах и органах. Расширение материала при этом будет происходить под действием тепла организма.
Ранее та же группа ученых предложила другую концепцию для создания 4D-печатных материалов с эффектом памяти формы. Для этого исследователи использовали проекционную микростереолитографию, полимеризуя материал прямо в растворе мономера.
Владимир Королёв
Он предназначен для исследования гипертермии
Компания Thermetrics разработала термический манекен ANDI, который предназначен для имитации тепловых свойств тела человека. Манекен может выделять тепло с помощью нагревательных элементов, а также имитировать потоотделение и дыхание. Множество сенсоров, размещенных в 35 зонах по всему корпусу манекена, позволяют контролировать температуру и измерять тепловые потоки в реальном времени. Манекен будет использоваться учеными в исследованиях воздействия теплового стресса и гипертермии на человека, сообщает New Atlas. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Всемирная метеорологическая организация недавно сообщала, что за последние 40 лет волны жары стали случаться в шесть раз чаще. Можно ожидать, что в будущем во многих регионах планеты люди столкнутся с новой климатической нормой, в которой придется приспосабливаться к жизни в условиях, когда температура воздуха достигает 40 градусов Цельсия и выше на протяжении длительных промежутков времени. Известно, что высокие температуры воздуха могут представлять угрозу для здоровья и жизни человека. Однако точные механизмы и последствия воздействия жары на сегодняшний день изучены недостаточно хорошо. В связи с этим возрастает интерес ученых к изучению последствий воздействия теплового стресса на человеческий организм. В опасных для здоровья человека исследованиях, в которых требуется воспроизведение поведения человеческого тела, вместо людей зачастую используются манекены. К примеру, манекены много лет успешно выполняют роль пассажиров при испытаниях автомобилей. По этой же причине ученые из Университета штата Аризона вместо того, чтобы подвергать риску здоровье людей, в проводимых ими исследованиях воздействия теплового стресса на человеческий организм решили воспользоваться испытательным манекеном. Для этого компания Thermetrics, занимающаяся разработкой тепловых манекенов для тестирования спортивной одежды, создала симулирующий человеческую физиологию роботизированный манекен ANDI. Рост ANDI составляет 178,5 сантиметров, а масса — 35 килограмм. Его тело разделено на 35 независимых термических зон. Они снабжены сенсорами и индивидуальными нагревательными элементами, с помощью которых можно имитировать тепловыделение человеческого тела, контролировать температуру и динамически измерять теплопотери и получаемое тепло в режиме реального времени. По всей поверхности манекена размещено множество выходных отверстий системы искусственного потоотделения. Также в манекен встроена система имитации дыхания, которая позволяет контролировать влажность и температуру входящего и выходящего воздуха. Руки и ноги манекена имеют подвижные соединения, поэтому, используя внешние приводы для актуации, исследователи могут управлять манекеном, имитируя ходьбу или другую физическую активность. Скорость отвода тепла можно регулировать за счет встроенной системы водяного охлаждения. Исследователи могут задавать параметры, моделирующие тепловые особенности характерные для людей разного возраста, физического состояния и здоровья. Например, уровень потоотделения пожилого человека будет ниже, чем у молодого спортсмена. https://www.youtube.com/watch?v=ivAQvkoft9o&t=59s Исследования с ANDI можно проводить не только в тепловой камере, но и в естественных условиях. Ученые надеются, что данные, собранные с помощью теплового манекена, помогут им выработать рекомендации для широкого круга людей, которые снизят риски для здоровья. Кроме этого, результаты исследования помогут в создании одежды или других средств индивидуальной защиты для смягчения влияния жары на здоровье людей в условиях меняющегося климата. Рост окружающей температуры сказывается и на образовательной системе. Ученые выяснили, что повышение среднегодовой температуры воздуха и увеличение количества жарких учебных дней приводят к снижению школьной успеваемости.