Dans la publication récente intitulée «  Substance molle magnétoactive programmable par moule imprimée en 3D pour les applications biomimétiques  », des chercheurs chinois étudient le développement d’un matériau haute performance qui est rapidement transformé d’un moule à un autre selon les besoins pour des applications spécifiques.

Les chercheurs en matériaux continuent de s’inspirer de la nature dans nombre de leurs études et des innovations qui en résultent aujourd’hui, et alors que l’impression 3D se transforme en impression 4D avec des formes qui se déforment puis reprennent leur forme d’origine, la fabrication numérique elle-même continue de se développer. sig. La plupart de ces matériaux et la déformation qui en résulte sont entraînés par des forces externes dans l’environnement telles que la température ou l’humidité et peuvent être utilisés comme géométries complexes pour des applications telles que la médecine, la robotique et plus encore.

Dans cette étude, les auteurs examinent l’utilisation du contrôle du champ magnétique et des matériaux mous magnétoactifs (MASM) car ils offrent le potentiel à la fois pour les capteurs souples et les actionneurs. Des recherches antérieures ont été menées avec l’impression magnétique 3D, ce qui a abouti à la fabrication de deux composites anisotropes combinés à des aimants.

Formez la stratégie de programmation et le processus de fabrication pour les MASM. (a) L’organigramme de la stratégie de programmation de formes et une maison de programmation d’imitation de vers. Les déformations sont simulées avec COMSOL, et la direction de l’UMF est indiquée par les flèches rouges. (b) Illustrations schématiques de l’impression 3D et de l’encapsulation. L’impression 3D est utilisée pour fabriquer les différents éléments structurels magnétiques, qui sont encapsulés par du caoutchouc de silicone. (c) Photos des échantillons MASM avec des éléments structurels magnétiques orientés. Le rayon des échantillons de disque est de 10 mm. (Pour l’interprétation des références de couleur dans cette légende de figure, le lecteur est renvoyé à la version Web de cet article.)

Avec une nouvelle «stratégie de programmation de formes», le but de cette étude était de créer des figures stables qui se transforment rapidement et sont également programmables. L’équipe de recherche a profité de l’impression 3D:

«Grâce aux avantages de l’impression 3D, cette méthode de fabrication permet à des éléments structurels magnétiques de toute forme, distribution et orientation de générer des profils de magnétisation anisotropes. Cette méthode nous permet de programmer le moment magnétique dans la matrice souple, permettant les fonctions d’activation souhaitées pour les MASM. La propriété de déformation des MASM programmables en forme a été synthétisée et le mécanisme physique associé a été proposé.

«Grâce à ces excellentes propriétés, diverses structures biomimétiques (chenille, raie manta et pince souple) peuvent être facilement fabriquées avec des fonctions de marche, de natation et de saleté sous le champ magnétique uniforme (UMF). Cette approche proposée peut compenser les lacunes des méthodes de programmation existantes et ouvrir de nouvelles voies pour exploiter pleinement le potentiel des MASM. « 

Mécanismes de modification des bandes MASM et performances de déformation. (a) Analyse finale des éléments des éléments structuraux magnétiques orientés évalués par COMSOL. La force de l’UMF utilisée est de 300 mT et la direction est indiquée par la flèche rouge. La densité de flux magnétique est indiquée par l’explication de la couleur, et la direction et la taille du tenseur de tension de surface Maxwell sont indiquées par la direction et la grandeur logarithmique des flèches rouges. (b) Courbes de magnétisation (moment magnétique par unité de masse) du filament magnétique et des NEP. Les photos insérées sont des images SEM de CIP et de filament magnétique, et les barres d’échelle mesurent respectivement 2 μm et 0,5 mm. (c) Photographies de la déformation en flexion de la bande MASM au-dessous de 0, 100 et 200 mT et les barres d’échelle étant de 5 mm. Dans ce cas, les éléments de structure magnétiques d’une longueur de 1,5 mm, d’une largeur de 0,3 mm et d’une épaisseur de 4 mm ont des distributions en SR. (d) Courbe de la déformation en flexion de la bande MASM pendant l’augmentation et la diminution de la densité de flux magnétique, qui est contrôlée par le courant dans l’électroaimant. La déformation est évaluée en déplaçant le point central de la bande MASM. Le schéma de test est illustré à la Fig. S1e. (e) Test cyclique de la déformabilité de la bande MASM sous champ magnétique transitoire. La durée de chaque cycle est de 1,5 s et comprend une augmentation et une diminution transitoires du champ magnétique. Le champ magnétique transitoire est généré sur la base du mouvement de l’aimant permanent commandé par un moteur linéaire comme indiqué sur la fig. S1f. (f) Courbes encyclopédiques avec déformation en flexion et champ magnétique transitoire. Les temps de réponse et de réinitialisation sont indiqués. (Pour l’interprétation des références de couleur dans cette légende de figure, le lecteur est renvoyé à la version Web de cet article.)

Le PLA a été mélangé dans un rapport volumique de 6: 1 avec des particules de fer carbonyle (CIP), mélangé mécaniquement pendant 30 minutes, puis ajouté à l’extrudeuse d’une imprimante 3D FDM.

«Ici, il convient de noter que l’impression d’éléments structurels magnétiques n’est qu’une des méthodes de conception du moment magnétique. L’ajustement du moment magnétique peut également dépendre de la distribution des particules et du domaine magnétique », ont expliqué les chercheurs.

Cependant, après l’impression 3D, les structures magnétiques étaient constituées de propriétés ferromagnétiques isotropes dues à la dispersion uniforme des particules de PLA. Équipez des échantillons imprimés en 3D avec une variété d’éléments structurels magnétiques orientés, confirmant que ces différences affectaient les propriétés mécaniques des MASM.

Finalement, les chercheurs ont pu créer une variété de structures biomimétiques inspirées de la nature telles que le ver à pied, la raie manta et un dispositif de préhension souple. Les échantillons fabriqués ont également été inspirés par des animaux tels que des serpents et des mollusques, et les formes MASM ont pu imiter leurs structures et leurs mouvements; la magnétisation, cependant, dépendait de la distribution et de l’orientation des éléments structurels magnétiques adjacents – ce qui signifie que le magnétisme total doit être pris en compte pour l’efficacité requise.

Divers MASM programmables en forme avec déformation bidimensionnelle sous des champs magnétiques appliqués pour l’imitation biomimétique. (a) Photographies de serpent, d’étoile de mer et d’étoile fragile. (b) Simulation d’élément final de figures programmées via COMSOL. La densité de flux magnétique est indiquée par la couleur. (c) Déformations bidimensionnelles des MASM sous des champs magnétiques appliqués. L’intensité de l’UMF horizontale est de 200 mT et la direction est indiquée par la flèche. Pour différentes formes programmées, les éléments structurels magnétiques d’une longueur de 1,5 mm, d’une largeur de 0,3 mm et d’une épaisseur de 4 mm ont des répartitions différentes en SR. Toutes les échelles mesurent 10 mm. (Pour l’interprétation des références de couleur dans cette légende de figure, le lecteur est renvoyé à la version Web de ce
Article.)

Conception de robots logiciels et d’actionneurs basés sur des MASM programmables en forme. (a) Mouvement de marche du robot mou en forme de ver à pouce sur la dent de scie. La flexion du robot est entraînée par l’UMF et elle est restaurée en couplant la force de gravité et les forces élastiques. La barre d’échelle blanche est de 10 mm. (b) Nager sous l’eau le robot mou ressemblant à une raie manta. L’oscillation du robot de nage est également pilotée par l’UMF. La barre d’échelle blanche est de 10 mm. (c) Saisissez et relâchez la pince souple. L’effet de préhension est entraîné par UMF et le poids de l’objet cylindrique est de 15,3 g. La barre d’échelle blanche est de 20 mm. Dans ces cas, l’intensité de l’UMF est de 300 mT et la direction est celle indiquée par la flèche.

Les structures de test, «fabriquées avec succès», ont montré un potentiel de fonctionnalité dans des exercices tels que le mouvement, la natation et la saisie. Ils ont également démontré les propriétés mécaniques souhaitées avec la stabilité et la précision de la déformation – garantissant les performances requises pour la conception future des actionneurs et des innovations de robot doux.

Compte tenu de la faible densité, de «  l’excellente flexibilité  » et des propriétés appropriées pour l’activation, l’équipe a continué à faire avancer son projet et a réalisé des robots et actionneurs souples:

  • La conception du ver de pouce s’est traduite par un robot doux capable de «marcher» sur une plaque d’allumage créée par les chercheurs.
  • La conception des raies Manta a inspiré un autre robot doux avec des «  muscles et des prises d’aile  » fabriqués à la fois par les MASM et SR. Il a même pu nager sous l’eau.
  • La pince souple fonctionnait en plus des dispositifs similaires conventionnels, avec une prise et une libération manipulée par activation magnétique.

«Ce travail utilise simplement un champ magnétique uniforme (UMF) comme seule activation, mais des comportements d’activation plus complexes peuvent également être générés en utilisant le champ magnétique de gradient. L’approche proposée ouvre de nouvelles voies pour exploiter pleinement le potentiel des MASM, permettant aux chercheurs de développer une large gamme d’actionneurs logiciels qui sont essentiels dans les applications de robotique douce, de soins médicaux et de bionique », ont conclu les auteurs après la conclusion de leur étude.

Les scientifiques ont toujours été inspirés par la nature, et cela a joué un rôle fascinant dans le développement de l’impression 3D, car la biomimétique a été la force derrière les nouvelles prothèses, les structures architecturales innovantes, la technologie des drones et plus encore.

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[Source / Images: ‘3D printed shape-programmable magneto-active soft matter for biomimetic applications’]



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