De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences desenvolveram um método de impressão 3D capaz de produzir fibras mais finas que um fio de cabelo. Essas fibras podem dobrar, torcer, expandir ou contrair em resposta a mudanças de temperatura, funcionando como músculos artificiais programáveis. Os resultados foram publicados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, com pesquisa liderada pelo laboratório da professora Jennifer Lewis, Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering, e tendo o pós-doutorando Mustafa Abdelrahman como primeiro autor.
A tecnologia baseia-se na plataforma de impressão 3D rotativa multimaterial desenvolvida pelo laboratório de Lewis. A plataforma utiliza um bocal rotativo para extrudar simultaneamente dois materiais: um elastômero de cristal líquido, um material ativo que se contrai ao longo de uma direção molecular preferencial quando aquecido; e um elastômero inerte e macio que mantém sua forma independentemente da temperatura. Ao controlar precisamente a posição de cada material na seção transversal da fibra e girar o bocal durante a impressão, os pesquisadores podem inscrever diretamente um arranjo molecular helicoidal na fibra durante sua formação, pré-programando completamente o comportamento de mudança de forma durante o processo de fabricação, sem necessidade de pós-processamento ou montagem manual.
"Vi esta plataforma de impressão 3D rotativa muito bonita e pensei: se adicionarmos um material ativo e o padronizarmos na fibra, poderíamos usá-lo para impulsionar a mudança de forma?", disse Abdelrahman.
O potencial da tecnologia foi demonstrado quando a equipe usou fibras programadas individuais como blocos de construção para arquiteturas mais complexas. Fibras em forma de onda senoidal ou onduladas são visualmente idênticas, mas exibem comportamentos opostos dependendo da posição do material ativo: quando o elastômero está na parte externa da onda, a fibra se estica e expande; quando está na parte interna, a fibra se contrai e encolhe.
Com base nessas unidades, os pesquisadores montaram redes planas que abrem e fecham com o calor, funcionando como filtros ativos: quando aquecidas, permitem a passagem de partículas; quando resfriadas, capturam-nas. A rede também pode ser usada como um manipulador de pegar e soltar, levantando várias barras simultaneamente e liberando-as sob demanda. Redes com regiões alternadas de expansão e contração transformam-se em estruturas em forma de cúpula quando aquecidas, coincidindo de perto com simulações previstas por computador. A validação e modelagem foram realizadas em colaboração com o professor L. Mahadevan, especialista em mecânica de estruturas naturais, e o arranjo molecular foi caracterizado em colaboração com o laboratório da professora Joanna Aizenberg, usando espalhamento de raios X no Brookhaven National Laboratory.
A equipe já imprimiu fibras com diâmetros tão pequenos quanto 100 micrômetros e acredita que há espaço para redução adicional. "Em termos de escalabilidade, no futuro poderemos fabricar bocais mais complexos, integrando outros materiais, como adicionar canais de metal líquido para acionamento ou integrar outras funcionalidades", disse Jackson Wilt, estudante de pós-graduação e coautor.
As aplicações imaginadas pela equipe incluem manipuladores macios reconfiguráveis, filtros ajustáveis e válvulas, bem como fibras injetáveis que, no corpo, se travam formando estruturas porosas que promovem coágulos, para uso em biomedicina. Como disse Lewis: "Esta estrutura de design e impressão de fibras pode acelerar a transição de materiais semelhantes a músculos artificiais do laboratório para tecnologias do mundo real."
A equipe de Harvard também apontou as limitações do sistema atual. A miniaturização é uma restrição direta: a resolução do bocal é limitada pela impressora DLP usada para fabricar as cabeças de coextrusão personalizadas, o que restringe o tamanho dos recursos a cerca de 50 micrômetros. Reduzir o diâmetro do bocal de 1 mm para 0,5 mm conseguiu diminuir o diâmetro da fibra de 600 micrômetros para 300 micrômetros, mas ao custo de velocidades de impressão mais baixas em escalas menores, o que reduz o alinhamento molecular induzido por cisalhamento do elastômero de cristal líquido. Como o alinhamento molecular é a fonte da atuação, existe uma troca direta entre miniaturização e desempenho.
A dependência da temperatura é outra restrição prática. Toda a atuação depende do aquecimento da amostra acima da temperatura de transição nemática-isotrópica do elastômero de cristal líquido, que, na formulação atual da tinta, é muito superior às condições ambientais. As demonstrações foram realizadas mergulhando as redes em um banho de óleo de silicone aquecido, uma configuração que difere significativamente dos ambientes sem fio, integrados ao corpo ou de condições ambientais necessários para aplicações em robótica macia e biomedicina.
Os autores contribuintes do estudo incluem Yeonsu Jung, Rodrigo Telles, Gurminder K. Paink e Natalie M. Larson. O financiamento foi fornecido pela National Science Foundation através do Harvard Materials Research Science and Engineering Center e pelo Army Research Office Multidisciplinary University Research Initiative. O trabalho experimental foi realizado no Harvard Center for Nanoscale Systems e no síncrotron do Brookhaven National Laboratory, apoiados pela NSF e pelo Departamento de Energia, respectivamente. O Harvard Office of Technology Transfer já iniciou o processo de proteção da propriedade intelectual para esta inovação fundamental e está explorando caminhos para levá-la ao mercado.
Este resultado mais recente do laboratório de Lewis faz parte da trajetória de pesquisa de Harvard em materiais macios programáveis. Um estudo anterior do grupo, liderado por Jackson Wilt e pela ex-pós-doutoranda Natalie Larson, usou a mesma plataforma de impressão 3D rotativa multimaterial para fabricar estruturas robóticas macias com caminhos de atuação embutidos, apontando para aplicações em robôs cirúrgicos e tecnologias de assistência humana. Lewis e a professora da Universidade de Princeton, Emily Davidson, refinaram a ciência da orientação de cristais líquidos durante a impressão 3D baseada em extrusão, transformando o processo de uma arte experimental para uma disciplina mais precisa e mensurável, estabelecendo as bases para a fabricação confiável em larga escala de materiais baseados em elastômeros de cristal líquido. Os elastômeros de cristal líquido estão agora atraindo atenção nas áreas de robótica macia, amortecimento de energia e engenharia biomédica. A capacidade de pré-programar a mudança de forma das fibras durante a impressão elimina um obstáculo chave para transformar resultados de laboratório em dispositivos utilizáveis.
Este texto foi elaborado por Wedoany. Qualquer citação por IA deve indicar a fonte “Wedoany”. Em caso de infração ou outros problemas, informe-nos prontamente, por favor. O conteúdo será corrigido ou removido. E-mail: news@wedoany.com
