A ligação de silicone mais inteligente permite a engenharia de dispositivos macios mais fortes

Em um passo à frente para robótica macia e dispositivos biomédicos, os engenheiros da Universidade de Rice descobriram uma nova e poderosa maneira de aumentar a força e a durabilidade dos dispositivos macios à base de silicone sem alterar os próprios materiais. Seu estudo, publicado em uma edição especial de Avanços científicosconcentra-se na robótica impressa e musculoesquelética e oferece uma estrutura preditiva que conecta condições de cura de silicone com força de adesão, permitindo melhorias dramáticas no desempenho para componentes de elastômeros impressos e impressos em 3D.

“Descobrimos que a extensão em que um elastômero de silicone é curado no momento do vínculo afeta diretamente o quão bem ele adere”, disse Daniel J. Preston, autor correspondente do artigo e professor assistente de engenharia mecânica. “Ao entender e controlar essa variável, podemos melhorar significativamente a confiabilidade do dispositivo sem introduzir novos produtos químicos ou tratamentos”.

A situação pegajosa de Silicone

Os elastômeros de silicone são valorizados entre as indústrias – de implantes cirúrgicos a ferramentas de cozinha a robôs macios – graças à sua flexibilidade, estabilidade química e biocompatibilidade. Mas unir componentes de silicone durante a fabricação há muito tempo representa um desafio. A baixa adesão pode levar à delaminação, vazamentos ou falha catastrófica do dispositivo, especialmente em robôs macios, onde as câmaras flexíveis devem suportar a inflação e a deformação repetidas.

“O vínculo forte e consistente é absolutamente essential nessas aplicações”, disse Te Faye Yap, primeiro autor do artigo, que recebeu seu doutorado em Rice e agora é professor assistente de engenharia mecânica da Universidade do Havaí. “Atingir consistentemente esse nível de vínculo forte, no entanto, tem sido difícil, especialmente quando os dispositivos se tornam mais complexos e dependem de designs multicamadas ou híbridos”.

A questão decorre de como as cura de silicone: durante o processamento, os pré-polímeros líquidos se transformam gradualmente em sólidos através de uma reação sol-gel. Se a ligação ocorrer tarde demais (depois que o materials estiver totalmente curado), a interface carece da coesão química necessária para uma articulação forte. Até agora, prever quando essa transição ocorre em condições do mundo actual tem sido difícil.

Um ‘relógio’ preditivo

Para enfrentar isso, a equipe de engenharia de arroz desenvolveu uma nova estrutura que liga o processo de cura a uma “coordenada da reação” – um valor adimensional que explica tempo e temperatura durante a cura. Essa métrica permitiu aos pesquisadores rastrear com precisão o grau de cura, mesmo em condições térmicas variáveis, como as encontradas em fornos industriais ou impressoras 3D.

“Nossa coordenada de reação nos dá um tipo de relógio”, disse Preston. “Ele nos diz quando o materials é parcialmente curado o suficiente para ser tratado, mas ainda é fresco o suficiente para formar fortes ligações químicas com uma camada adesiva”.

Essa descoberta não apenas esclarece quando a adesão é mais eficaz, mas também ajuda a prever quando falhará. Usando testes de casca, a equipe mostrou que força de adesão cair quando a coordenada da reação cruza um limiar crítico. Nesse ponto, o silicone recém -aplicado não forma mais ligações covalentes robustas com a camada subjacente, e a interface falha sob estresse.

Validação do mundo actual

Para provar seu modelo na prática, a equipe fabricou atuadores pneumáticos suaves (componentes comuns em Robôs suaves) unindo componentes de silicone mais pretos usando silicone fresco como adesivo. Os dispositivos ligados dentro da janela de reação splendid resistiram às pressões mais altas e dobradas com curvatura 50% maior do que seus colegas sobrecilados.

Em outro experimento, a equipe usou um bioprinter 3D para fabricar camadas de estruturas de silicone por camada. Guiados por sua coordenada de reação, eles controlaram com precisão o tempo entre imprimir cada camada e alcançaram mais de 200% de melhora na adesão entre camadas em comparação com os métodos de impressão tradicionais.

“Conseguimos ajustar as condições de cura para discar exatamente a adesão onde queríamos”, disse Preston. “Esse recurso abre a porta para o 3D mais forte e mais confiável silicone dispositivos com geometrias complexas. “

As implicações deste trabalho são amplas. Fabricantes de implantes médicos, eletrônicos vestíveis e robôs flexíveis podem fabricar dispositivos mais duráveis sem depender de tratamentos químicos de superfície ou técnicas de ligação de plasma caro. A fabricação aditiva de dispositivos moles, que é uma área que ganha força nas indústrias de tecnologia médica e vestível, pode se beneficiar particularmente dessa abordagem.

“Nossa estrutura é simples, generalizável e não requer novos materiais”, disse Preston. “É um guia que os engenheiros podem começar a usar imediatamente para criar melhores produtos”.