Pesquisadores fazem impress√£o 3D em objetos com ‘l√≥gica embutida’

l√≥gicaMesmo sem um c√©rebro ou sistema nervoso, a armadilha de V√™nus (planta carn√≠vora) parece tomar decis√Ķes complicadas sobre quando fechar a boca para capturar uma poss√≠vel presa, bem como quando abri-la quando capturar algo que n√£o pode. comer.

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ci√™ncias Aplicadas da Universidade da Pensilv√Ęnia foram inspirados por essas esp√©cies vegetais. Utilizando materiais que respondem a est√≠mulos, eles projetaram estruturas que t√™m “l√≥gica embutida”. Somente atrav√©s do seu design f√≠sico e qu√≠mico, eles s√£o capazes de determinar quais das m√ļltiplas rea√ß√Ķes poss√≠veis devem ser feitas em resposta ao seu ambiente.

Embora n√£o possuam motores, baterias, circuitos ou processadores de qualquer tipo, eles podem ser alternados entre v√°rias configura√ß√Ķes em resposta a elementos ambientais predefinidos, como umidade ou produtos qu√≠micos √† base de √≥leo.

Usando impressoras 3D multi-mec√Ęnicas, os pesquisadores podem criar essas estruturas ativas, com portas l√≥gicas / de detec√ß√£o integradas, e controlar o tempo de cada porta, permitindo que comportamentos mec√Ęnicos complexos respondam a mudan√ßas simples em seu ambiente. Por exemplo, usando esses princ√≠pios, um dispositivo para monitorar a polui√ß√£o da √°gua pode ser projetado para abrir e coletar uma amostra apenas na presen√ßa de um produto qu√≠mico √† base de √≥leo ou quando a temperatura estiver acima de um determinado limite.

Os pesquisadores publicaram um estudo descrevendo sua abordagem para a revista Nature Communications.

O estudo foi conduzido por Jordan Raney, professor assistente no Departamento de Engenharia Mec√Ęnica e Engenharia Aplicada da Penn Engineering, e pela pesquisadora de p√≥s-gradua√ß√£o Yijie Jiang em seu laborat√≥rio. Lucia Korpas, uma estudante de p√≥s-gradua√ß√£o no laborat√≥rio de Raney, tamb√©m contribuiu para o estudo.

O laborat√≥rio de Raney est√° interessado em estruturas hesitantes, o que significa que eles podem manter uma das duas composi√ß√Ķes indefinidamente. Ele tamb√©m est√° interessado em materiais “inteligentes”, que podem mudar de forma nas condi√ß√Ķes certas.

Essas habilidades n√£o s√£o inerentemente interconectadas, mas a “l√≥gica incorporada” usa as duas.

“O grau de hesita√ß√£o de uma estrutura √© determinado pela geometria, e a resposta vem das propriedades qu√≠micas do material”, diz Raney. “Nossa abordagem usa a impress√£o 3D de materiais m√ļltiplos para preencher esses campos separados, para que possamos usar o material de resposta para alterar os par√Ęmetros geom√©tricos de nossas estruturas da maneira correta”.

Em trabalhos anteriores, Raney e seus colegas haviam mostrado como as grades bidimensionais 3D podiam ser impressas a partir de vigas de silicone em √Ęngulo. Quando pressionadas juntas, as vigas permanecem travadas em uma configura√ß√£o de suporte, mas podem ser facilmente retornadas √† sua forma anterior.

“Esse comportamento hesitante depende quase inteiramente do √Ęngulo das vigas e da raz√£o entre sua largura e comprimento”, diz Raney.

Os materiais que mudam de forma são comuns, mas controlar sua transformação é mais difícil.

“Muitos materiais absorvem √°gua e se expandem, por exemplo, mas se expandem em todas as dire√ß√Ķes. Isso n√£o ajuda, porque significa que a propor√ß√£o entre a largura e o comprimento dos raios permanece a mesma “, diz Raney. “Precis√°vamos de uma maneira de limitar a expans√£o a apenas uma dire√ß√£o”.

A solução dos pesquisadores foi injetar vidro ou fibras celulares em suas estruturas impressas em 3D, funcionando paralelamente ao comprimento dos feixes. Assim como as fibras de carbono, essa estrutura inelástica impede que as vigas se alongem, mas permite que o espaço entre as fibras se expanda, aumentando a largura das vigas.

Com esse controle geométrico, mudanças de forma mais sofisticadas podem ser obtidas alterando o material a partir do qual as vigas são feitas. Os pesquisadores criaram estruturas ativas usando silicone, que absorve óleo e hidrogéis que absorvem água. Materiais sensíveis ao calor e à luz também podem ser incorporados a materiais que respondem a estímulos ainda mais específicos.

Alterar a relação comprimento / largura do feixe inicial, bem como concentrar as fibras internas rígidas, permite que os pesquisadores produzam atuadores com diferentes níveis de sensibilidade. E como a técnica de impressão 3D dos pesquisadores permite o uso de diferentes materiais na mesma impressão, uma estrutura pode ter várias respostas de mudança de forma em diferentes áreas ou até ser organizada em uma sequência.

“Por exemplo”, diz Jiang, “demonstramos uma l√≥gica sucessiva projetando uma caixa que, depois de exposta a um solvente adequado, pode abrir e fechar automaticamente ap√≥s um certo per√≠odo de tempo”. Tamb√©m projetamos uma armadilha artificial Venus que s√≥ pode ser fechada se a carga mec√Ęnica for aplicada dentro de um prazo especificado e uma caixa que s√≥ for aberta na presen√ßa de √≥leo e √°gua.

Os elementos químicos e geométricos dessa abordagem lógica integrada são independentes da escala, o que significa que esses princípios também podem ser explorados por estruturas de tamanho pequeno, como o chip.

Outras aplica√ß√Ķes poss√≠veis podem incluir sensores em ambientes remotos e agressivos, como desertos, montanhas ou at√© outros planetas. Sem a necessidade de baterias ou computadores, esses sensores com l√≥gica interna podem permanecer ociosos por anos sem intera√ß√£o humana e somente se ativam quando s√£o apresentados os est√≠mulos corretos.