Tan simple como una impresora de inyección de tinta, una nueva técnica de impresión suave ha allanado el camino para las bandas de goma pixeladas.

Tan simple como una impresora de inyección de tinta, una nueva técnica de impresión suave ha allanado el camino para las bandas de goma pixeladas.


24 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Tomando prestada una técnica de las impresoras de inyección de tinta, los investigadores de Princeton Engineering han introducido un método píxel por píxel para programar y fabricar estructuras blandas para su uso en robótica, dispositivos biomédicos o características arquitectónicas.

La nueva técnica crea láminas pixeladas de material suave tan fácilmente como presionar un botón. Cada píxel se puede programar individualmente para crear formas compuestas, colores y capacidades mecánicas. Y funciona con una clase de materiales, polímeros elásticos endurecibles, que no se pueden imprimir con impresoras de inyección de tinta tradicionales o impresoras 3D. Gomas pixeladas Los investigadores de Princeton Engineering han desarrollado una forma sencilla de crear materiales compuestos elásticos en un proceso píxel por píxel que es tan simple como una impresora de inyección de tinta. (Imagen: Estudio Ella Maru)

“El punto de venta aquí es la simplicidad de la metodología. Todo lo que necesitas son dos placas con muchos agujeros”, dijo Pierre Thomas Brun, profesor asistente de ingeniería química y biológica. Los materiales comienzan como líquidos que se solidifican después de depositarse. La clave es cómo fluyen los fluidos cuando fraguan. Una comprensión profunda de este comportamiento llevó al equipo de Brun a crear estos materiales compuestos sin el uso de maquinaria complicada. En cambio, dejan que la naturaleza haga el trabajo.

Según Brun, el nuevo enfoque, que aplica la antigua dinámica de fluidos a un problema de materiales modernos, mantiene los costos bajos sin sacrificios. «Obtienes una estructura muy precisa», dijo. «Este enfoque frugal no es un compromiso con la calidad».

El equipo publicó sus hallazgos en la revista Materiales avanzados(«Formación de películas elásticas pixeladas por aspiración capilar de elastómeros curables en células Hele-Shaw con plantillas»), extendiendo la fabricación aditiva a nuevas áreas de materiales que son particularmente útiles para diseños de inspiración biológica.

Un enfoque simple con un potencial complejo

Los píxeles de una impresora de inyección de tinta utilizan cuatro gotas de colores para crear millones de tonos aparentes. Dependiendo de cómo estén dispuestos en el papel, estos puntos pueden adoptar una miríada de formas, desde letras simples hasta árboles elaborados.

Los científicos querían hacer algo similar con compuestos blandos. «Si quieres un material que interactúe bien con la gente, quieres que sea suave», dijo Brun. Pero los líquidos pegajosos que se endurecen en sólidos elásticos han demostrado ser demasiado viscosos para las impresoras de inyección de tinta y demasiado flexibles para las impresoras 3D. El nuevo enfoque encuentra una manera de trabajar con las propiedades inherentes de los polímeros elásticos curables como el caucho de silicona y podría extenderse para trabajar con algunos metales líquidos y vidrio fundido.

«Esta técnica simple y versátil abre muchas vías para el desarrollo de dispositivos de ‘robot suave’, al menos para la creación rápida de prototipos», dijo José Bico, físico de ESPCI-Paris que no participó en la investigación.

«A veces uno piensa que tiene que hacer cosas muy complicadas», agregó Bico, «pero lo que funciona en la práctica son las cosas muy simples».

Si pones una pajilla en un vaso de agua y el agua sube a través de la pajilla, se debe a la acción capilar, lo que hace que el líquido fluya hacia un espacio estrecho. En este caso, ese espacio estrecho es una capa delgada entre dos láminas acrílicas. Cuando los investigadores vertieron una muestra de líquido en los orificios de la placa superior, se filtró en el espacio entre las placas de una manera matemáticamente predecible. Los líquidos se esparcieron y finalmente entraron en contacto entre sí, formando el borde de cada píxel.

Debido a su viscosidad similar a la miel, los píxeles no se mezclaron. Además, sin aire entre ellos, los líquidos esencialmente se unieron para crear características geométricas, dijo Brun. Luego, el material se endureció hasta convertirse en un sólido en unos pocos minutos a temperatura ambiente, creando una capa de banda de goma suavemente pixelada.

Como prueba de concepto, los investigadores usaron pintura para crear una variedad de imágenes compuestas: una “P” con el tema de Princeton y un personaje inspirado en Space Invaders, el innovador juego de arcade. El mismo principio se puede aplicar a píxeles con diferentes propiedades mecánicas o magnéticas, lo que lleva a nuevas y tremendas aplicaciones en robótica blanda, dispositivos médicos y más.

«Puedes elegir fácilmente un área donde agregas partículas magnéticas para que cuando juntes la diapositiva, tengas áreas que puedan activarse con imanes», dijo el coautor Christopher Ushay, Ph.D. Candidato en el laboratorio de Brun.

Ingeniería inversa, un viejo problema

Para determinar dónde colocar los agujeros al crear un diseño, tomaron prestado un truco matemático del análisis de imágenes llamado transformación de cuenca. Imagine las cuencas de los ríos en un mapa topográfico: si inunda el área, ¿en qué cuenca fluye el agua? Los investigadores utilizaron la misma idea para determinar dónde fluirían los polímeros antes de hacer contacto. Pero debido a que usaron polímeros con diferentes viscosidades, fluyen a diferentes velocidades. «Esto lleva el cambio un poco más allá», dijo Ushay. «Uno ya no se transforma espacialmente, sino también temporalmente».

Los investigadores pudieron crear diferentes patrones, llamados mosaicos de Voronoi, en función de la cantidad de agujeros que usaron y la distancia entre ellos. Por ejemplo, al usar cuatro agujeros, podrían crear patrones cuadrados y al usar seis fuentes, podrían crear triángulos.

«Lo sorprendente aquí es lo bien que funciona», dijo Brun. “Si no empezamos perfectamente sincronizados, se podría pensar que tenemos un patrón ligeramente desequilibrado. Sin embargo, éste no es el caso. Las cosas logran ponerse al día. Esto es muy importante para la solidez del enfoque”.

La investigación futura abordará cómo las hojas delgadas pixeladas se pueden apilar en vóxeles generados o píxeles volumétricos. «Obtenemos estas losas muy delgadas», dijo Brun. «Pero estamos hechos de materiales 3D».

La Fundación Nacional de Ciencias fue uno de los patrocinadores del trabajo, como parte de un esfuerzo por encontrar enfoques ecológicos para la fabricación, dijo Brun. Mediante el uso de propiedades naturales, esta tecnología requiere menos energía, ya que se puede realizar a temperatura ambiente y no requiere un edificio dedicado para operar.

La técnica también podría ampliarse o reducirse para estructuras arquitectónicas como puentes y arcos para aplicarse a estructuras microscópicas.



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