Капиллярные силы помогли 3D-печатной сетке сжаться в магнитном поле

Американские инженеры разработали метод 3D-печати актуаторных сеток, управляемых магнитным полем. Особенность разработки заключается в том, что сетки должны располагаться на поверхности воды и в таком случае на их поведение сильное влияние оказывают капиллярные силы. В качестве примера авторы создали несколько прототипов, в том числе простой захват. Статья опубликована в журнале Advanced Materials Technologies.

Помимо классических двигательных устройств, таких как электромоторы, инженеры также применяют альтернативные актуаторы. К примеру, в последнее время достаточно большое количество исследовательских групп занимаются разработкой мягких актуаторов, которые потенциально можно применять в медицине и других сферах, где устройства контактируют с человеком. Такие актуаторы, как правило, сжимаются или сгибаются при воздействии внешних факторов, таких как магнитное поле, световое излучение и даже влажность.

Группа инженеров из Университета штата Северная Каролина под руководством Орлина Велева (Orlin Velev) разработала новый метод производства мягких сеточных актуаторов, управляемых магнитным полем. Сетки состоят из изогнутых стержней, соединенных между собой. Для их печати авторы разработали материал, состоящий из полидиметилсилоксановых частиц, внутри которых располагаются частицы карбонильного железа. Во время печати принтер перемещается над рабочей зоной выдавливает из сопла пасту, которая затем застывает и образует единую сетку.

Главное отличие нового метода от предыдущих заключается в том, что создаваемые сетки двигаются не только под действием магнитного поля, заставляющего ферромагнитные железные частицы притягиваться. Дело в том, что сетки размещаются не на любой поверхности, а на поверхности воды. Из-за этого на соседние прутки сетки действуют капиллярные силы, заставляющие их сближаться друг с другом. При отсутствии магнитного поля этих сил недостаточно для сжатия сетки, однако когда возникает поле, направленное перпендикулярно к плоскости сетки, она начинает сжиматься под действием двух сил.

Инженеры предложили еще на этапе создания программировать поведение сеток с помощью создания неравномерных структур. Поскольку капиллярные силы вносят большой вклад в движение элементов сетки, регулировать ее поведение можно благодаря расположению элементов на разном расстоянии: чем больше расстояние, тем менее выражен эффект. Для примера авторы создали несколько конструкций с неоднородным сжатием во внешнем поле, а также простой актуатор, способный захватывать плавающие на поверхности воды предметы.

Еще одно применение, показанное разработчиками — перевозка капель воды. Дело в том, что материал, использованный авторами для печати, имеет сильно выраженные гидрофобные свойства (угол смачивания равен 112 градусам). Они показали, что в сжатом состоянии сетка способна удерживать на себе каплю, а после отключения электромагнита сетка расправляется и капля просачивается через нее.

В прошлом году другая группа американских исследователей научилась печатать на 3D-принтере сложные устройства, управляемые магнитным полем. Для этого они создали 3D-принтер, который во время печати меняет ориентацию магнитного поля и тем самым задает ориентацию магнитных частиц в материале и их реакцию на магнитное поле в будущем.

Григорий Копиев