Британский аспирант 3D-печатает надувные структуры для создания искусственных мышц
В течение следующих нескольких лет многие интересные 3D-печатные медицинские инновации станут реалиями. 3D-биопечать кровеносных сосудов, тканей и даже органов - уже не за горами. Тем не менее, один аспирант демонстрирует нам, что технология 3D-печати может сделать для медицинского мира намного больше, чем просто биопечатать. Фергал Коултер, преподаватель и аспирант в Школе архитектуры, дизайна и искусственной среды при Университете Ноттингем Трент, использует технологию 3D-печати и сканирования для создания искусственных мышц.
Этот проект направлен на особый тип искусственных мышц - искусственные мышцы робота из диэлектрического эластомера (DEA). В то время как они идеально подходят для различных медицинских приложений, разработчик ссылается на такие примеры использования, как аппарат искусственного кровообращения и инструменты, которые могут помочь в случае паралича сфинктера. Эти искусственные мышцы робота из диэлектрического эластомера можно использовать даже в 3D-печатных роботизированных протезах, поскольку они могут потенциально изменить сложившуюся ситуацию.
Эти DЕА являются по сути резиновыми мембранами, покрытыми электродами. "DEA создаются путем печати токопроводящих и растягиваемых электродов по обе стороны тонкой резиновой мембраны (в данном случае - силикон). Мембраны могут складываться и формировать толстый многослойный шар. При подаче напряжения по электродам противоположные заряды притягиваются друг к другу, что приводит к деформации резины и, следовательно, общему удлинению", - объясняет Фергал. Видео этого процесса можно увидеть ниже. Но, как вы уже догадались, мембрана может принимать множество форм для различных приложений.
Просмотрите этот необычный процесс 3D-печати.
Когда же в процесс входит 3D-печать? Как часть проекта Фергал начал 3D-сканирование и 3D-печать на надуваемых структурах (силиконовые шары) с использованием нескольких слоев твердого силикона (если быть точными, то Shore A 73 Hardness), чтобы создать великолепные, но функциональные структуры. Как он объясняет, это делает DEA гораздо более эффективными. "Важнейшим аспектом DEA является то, что они работают более эффективно, когда резина растягивается и находится в напряжении. По этой причине я надуваю шары (для предварительной деформации). Для удерживания этого напряжения я экструдирую опорную раму из твердого силикона по всей поверхности шара'', - сказал Фергал.
Шестигранные хиральные структуры на фотографиях - просто геометрические узоры, способные равномерно сжиматься и разжиматься, что очень полезно при покрытии объекта, который надувается и сдувается. "После растягивания воздухом (т. е. шар сдувается), когда опорная конструкция затвердевает, объект сдувается везде одинаково, без потери устойчивости или складок. Когда сжатие опорной конструкции равно напряженности в мембране шара, это называется структурой минимальной энергии", - добавляет Фергал.
Как он объясняет, большинство проектной работы концентрировалось на сканировании поверхностей и программном обеспечении Rhino3D/Grasshopper, хотя также пришлось достаточно много поработать с дополнительным кодом. "Геометрия траектории движения инструмента и скорости движения G-кода также генерируются в Grasshopper. Вместо того чтобы использовать Repetier или подобное программное обеспечение, я должен был написать свое собственное, поскольку у меня были несколько Arduino-контроллеров и RAMPS-систем для поддержания координации во время печати", - говорит он.
3D-печать тем временем первоначально вращалась вокруг 3D-принтера Leapfrog Creatr, который был выбран из-за его платформы с направляющими по оси Z и прочности. Впоследствии он был изменен и настроен в соответствии с проектом. "Я использовал Creatr в качестве базовой платформы. Заменил горячей конец печатающей головки золотниковым клапаном, чтобы экструдировать силикон. Установил лазерный измерительный прибор в соответствии с клапаном. Запрограммировал это устройство для работы в качестве моего 3D-сканера. Я разработал вращающуюся 4-ю ось (оправу), - объясняет Фергал. - Во многих отношениях это сделало мою машину аддитивным станком. Оправы - воздухопроницаемые, поэтому когда я покрываю их (путем напыления) силиконом, то могу надуть мембраны, спуская сжатый воздух в ядро или оправу, который проникает на поверхность и провоцирует надувание".
Идея заключается в том, что это исследование будет продолжено в ближайшее время, хотя Фергал уже в процессе завершения кандидатской диссертации: "Я ищу исследовательский институт или университет, которому было бы интересно продолжать эту работу. Я буду публиковать свои методы в течение следующих нескольких месяцев, так что надеюсь, что другие исследователи и производители смогут производить печать надуваемых структур. Это веселая, но довольно сложная задача!"
Давайте надеяться, что он найдет возможность продолжить свою увлекательную (и потенциально очень полезную) работу над таким применением 3D-печатной технологии.
