Komplexe selektive Manipulationen thermomagnetischer programmierbarer Materie

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20767 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Programmierbare Materie kann auf Befehl ihre Form, Steifigkeit oder andere physikalische Eigenschaften ändern. Frühere Arbeiten haben berührungslose optisch kontrollierte Materie- oder magnetische Betätigung gezeigt, aber die erstere ist in ihrer Stärke und die letztere in der räumlichen Auflösung begrenzt. Hier zeigen wir ein beispielloses Maß an Kontrolle durch die Kombination von Lichtmustern und Magnetfeldern. Eine Mischung aus thermoplastischem und ferromagnetischem Pulver wird an bestimmten Stellen erhitzt, die formbar werden und von Magnetfeldern angezogen werden. Diese erhitzten Bereiche verfestigen sich beim Abkühlen und der Vorgang kann wiederholt werden. Wir zeigen die komplexe Steuerung von 3D-Platten, 2D-Blättern und 1D-Filamenten mit Anwendungen in taktilen Displays und Objektmanipulation. Aufgrund der niedrigen Übergangstemperatur und der Möglichkeit der Mikrowellenerwärmung kann die Verbindung in Luft, Wasser oder im Inneren von biologischem Gewebe manipuliert werden, was das Potenzial hat, biomedizinische Geräte, Robotik oder Anzeigetechnologien zu revolutionieren.

Programmierbare Materie kann Form, Dichte, Module oder andere physikalische Eigenschaften auf programmatische Weise ändern1. Diese Veränderungen werden extern gesteuert oder durch eingebettete Sensoren und Verarbeitung im Material ausgelöst2. Die beiden wichtigsten Ansätze zur Implementierung programmierbarer Materie sind: modulare Roboter3, die mehr Intelligenz bieten; und externe Betätigung4, was zu einer höheren räumlichen Auflösung und Skalierbarkeit führt. Programmierbare Materie bietet bahnbrechende Anwendungen im Ingenieurwesen und in der Medizin, doch die Granularität, die bei ihren Manipulationen erreicht werden kann, ist immer noch erheblich begrenzt.

Licht wurde als externe Betätigungsmethode verwendet. Mit Azobencenen5 kombinierte Materialien werden bei Beleuchtung aktiviert. Zum Beispiel das Auslösen einer Bewegung, wenn sich ein reflektierendes oder undurchsichtiges Objekt dem Material nähert6, oder das Ermöglichen der Fortbewegung auf Filamenten und Zylindern bei Beleuchtung mit dynamischen Lichtmustern7. Andererseits kann die durch Licht erzeugte Wärme aufgrund von Temperaturgradienten8 kleine Objekte auf der Wasseroberfläche bewegen oder in Formgedächtnislegierungen9 die Phase ändern. Die Betätigung mit Licht oder dessen thermischer Wirkung weist angesichts der vorhandenen Technologie zur Bildprojektion eine hohe räumliche Auflösung auf, die Betätigungsstärke ist jedoch relativ schwach und nach der Betätigung kehrt das gesamte Material in seinen Ausgangszustand zurück oder behält einen nicht umkehrbaren Zustand bei. Darüber hinaus kann Licht nicht durch undurchsichtige Materialien dringen.

Magnetfelder sind eine weitere Möglichkeit, Materie aus der Ferne zu kontrollieren. Ein flexibler Faden aus Polymer, der magnetisches Pulver enthält, kann ferngesteuert werden, um durch verzerrte Umgebungen zu navigieren10, Folien aus flexiblen Materialien, in die ferromagnetische oder magnetische Partikel eingebettet sind, können zur Fortbewegung auf kontrollierte Weise verschoben und gebogen werden11,12, ein Teppich aus magnetischen Flimmerhärchen kann betätigt werden um die darauf befindlichen Objekte zu kontrollieren13 und magnetischer Schleim kann magnetisch bewegt werden, um andere Objekte einzufangen und zu transportieren14. Die magnetische Betätigung ist stark und kann nichtmetallische Materialien durchdringen. Eine hohe räumliche Auflösung ist jedoch nicht möglich, da Magnetfelder nicht auf Distanz fokussiert bleiben. Zur besseren Kontrolle kann die magnetische Anziehung oder Abstoßung des Materials durch Erhitzen auf seine Curie-Temperatur moduliert werden, entweder durch Licht15 oder elektromagnetische Induktion16. Allerdings werden diese Methoden auf der gesamten Oberfläche angewendet und ermöglichen keine Feinmanipulation. Flüssiges Metall kann durch externe Magnetfelder in Tröpfchen umgewandelt werden17, und wenn sie in einer magnetorheologischen Aufschlämmung kombiniert werden, kann es auch die Steifheit ändern18 und so als dynamische elektrische Verbindung in rekonfigurierbaren Schaltkreisen dienen.

Hier zeigen wir ein beispielloses Maß an Steuerungsmanipulation von Materie mithilfe einer Kombination aus thermischen räumlichen Mustern und magnetischer Betätigung an einem Verbundmaterial, das aus einer Matrix aus reversiblem Tieftemperatur-Thermoplast (Polycaprolacton, PCL) besteht, gemischt mit ferromagnetischem Pulver (Eisenpartikel), siehe „ Methoden“ „Compound-Mischen“.

Thermoplaste wurden bereits früher mit Eisenpulver vermischt, um ihre Wärmeleitfähigkeit19, ihren elektrischen Widerstand20 oder ihre Sauerstoffaufnahme21 einzustellen. Im Zusammenhang mit programmierbarer Materie wurde die Kombination von magnetischer und thermischer Betätigung für diese Art von Verbindung gezeigt22,23, allerdings wurden die Manipulationen nur auf 2D-Blätter angewendet und die Wärme wurde auf das gesamte Material angewendet, was die Art und Komplexität erheblich einschränkte der Manipulationen.

In unseren vorgestellten Manipulationen ist das Material bei Raumtemperatur (25 \({^\circ }\)C fest, wird aber durch die Anwendung von Wärme an bestimmten Stellen über 50 \({^\circ }\)C hinaus formbar. Die Wärme kann mit einer IR-Lampe global angewendet werden; an einem begrenzten Ort unter Verwendung von Heißluftpistolen; mit räumlichen Mustern, unter Verwendung einer Maske auf kollimiertem Licht; an einem Brennpunkt mit fokussierten Halogenlampen oder Lasern; und im Inneren undurchsichtiger Materialien, mit Mikrowellenstrahlung (siehe „Methoden“: „Wärmequellen“). Dann zieht ein Magnetfeld die in der Matrix eingebetteten Fe-Partikel an und reißt die formbaren Teile des PCL mit sich. Das Material verfestigt sich, wenn es auf Raumtemperatur abkühlt, sodass dieser Vorgang wiederholbar ist. Durch die Anwendung räumlich komplexer thermischer Muster, die auf 1D-Filamente, 2D-Blätter oder 3D-Blöcke aufgebracht werden, werden verschiedene Anwendungen ermöglicht, die von der Bildung von Braille-Code bis zur Bildhauerei von Figuren reichen (siehe Zusatzfilm 1). Das Grundprinzip ist in Abb. 1 dargestellt.

Manipulationen an einem ferromagnetischen Thermoplasten mithilfe thermischer Muster und Magnetfelder. (a) Heiße Luft macht die Mitte eines Filaments formbar, ein Magnetfeld zieht eine Seite des Filaments, die sich entlang des erhitzten Bereichs biegt, beim Abkühlen verfestigt sich das Filament. (b) Ein Laser erhitzt bestimmte Punkte auf einem Blech, ein Magnetfeld zieht diese Punkte nach oben, beim Abkühlen werden die erhabenen Punkte fixiert und können ohne Verformung gedrückt werden. (c) Ein 2D-Muster wird in eine Materialplatte eingestrahlt. Wenn ein Magnetfeld angelegt wird, steigen die erhitzten Bereiche an und werden beim Erstarren geprägt. (d) Ein Materialklumpen steigt in eine Säule, ein Punkt auf der Säule wird erhitzt und ein sekundärer Zweig wird daraus gezogen. (e) Mikrowellen können das Material erhitzen, wenn es sich in einem optisch undurchsichtigen Material befindet, um beispielsweise seinen Behälter auszudehnen oder ihn zu betätigen.

Ein qualitatives Modell des Funktionsprinzips wird im Zusatzfilm 2 gezeigt. Die folgenden Gleichungen wurden in einer Zeitdomänensimulation verbundener Teilchen kombiniert, um die in der Arbeit vorgestellten Experimente zu unterstützen. Das vom Magneten erzeugte H-Feld wird als Dipol angenähert24: \(\textbf{H}(\textbf{r}) = \frac{1}{4\pi }\left( \frac{3 \hat{\textbf{r}}(\textbf{m} \cdot \ hat{\textbf{r}})-\textbf{m}}{r^{3}}\right)\), wobei \(\textbf{r}\) der Vektor vom Dipol zum Punkt im Feld ist , und \(\textbf{m}\) ist das magnetische Moment des Dipols. Diese magnetische Kraft, die das H-Feld auf ein Eisenteilchen ausübt, wird wie folgt berechnet25: \({\rm{F}}_{\rm{m}}=\mu _{0} {\rm {~V}}_ {\rm{p}} {\textbf{M}}_{\rm{p}} \nabla \left( {\textbf{H}}_{\rm{p}}\right)\) wobei \( \mu _{0}\) ist die magnetische Vakuumpermeabilität,\({\rm {~V}}_{\rm{p}}\) ist das Partikelvolumen und \({\textbf{M}}_{ \rm{p}}\) ist die Magnetisierung des Teilchens, berechnet als25. Die Verteilung der Wärme innerhalb des Materials wird mithilfe der gemeinsamen Wärmegleichung \(\frac{\partial u}{\partial t}=\alpha \Delta u\) modelliert, wobei \(\alpha\) die Wärmeleitfähigkeit ist. Die Viskosität des Materials bestimmt seine Scherverschiebung für eine gegebene Kraft \(F=\mu A \frac{u}{y}\), wobei \(\mu\) die Viskosität, A die Fläche und \(\ frac{u}{y}\) ist die Geschwindigkeit der Scherverformung; Bei einem Thermoplast nimmt seine Viskosität (\(\mu\)) logarithmisch mit der Temperatur ab26.

Es wurden mehrere Proben mit unterschiedlichen Anteilen an Eisenpartikeln hergestellt und zu Zylindern geformt (siehe „Methoden“: „Mischung der Verbindungen“), mechanische und magnetische Eigenschaften wurden gemessen. Die Proben waren mit S10 (10 Volumenprozent Eisen) bis S50 (50 Volumenprozent Eisen) gekennzeichnet. Die Zugabe von Eisenpulver über 50 Volumenprozent machte die Probe spröde und konnte ihre Struktur nicht aufrechterhalten.

Die Wärmeleitfähigkeit wurde durch die Zylinder mit 5 cm Durchmesser und 3 cm Dicke überwacht (Abb. 2a), wenn sie auf einem beheizten Bett mit geschlossenem Kreislauf bei 50 \({^\circ }\)C platziert wurden (Abb. 2b,c). . Je höher der Eisengehalt, desto höher die Wärmeleitfähigkeit des Materials. Die Temperatur wurde an der Oberseite der Zylinder gemessen. Die Oberflächenleitfähigkeit wurde ebenfalls überwacht (Abb. 2d–f). Je niedriger der Eisengehalt, desto höher die erreichte Temperatur und desto länger dauerte das Abkühlen. Dies kann passieren, weil die Wärme nicht durch das Material verteilt werden kann. Weitere Details finden Sie unter „Methoden“: „Thermische Messungen“. Die Lichtintensität kann reguliert werden, um die Temperatur des Materials unterschiedlich schnell zu erhöhen (siehe Zusatzbild 7).

An den verschiedenen Proben wurden magnetische Zugkräfte gemessen und sind in Abb. 2g dargestellt. Je höher der Eisengehalt, desto stärker ist die Magnetkraft. Der maximale magnetische Anziehungsabstand war für alle Proben ähnlich (\(\ungefähr)6 cm), da Proben mit mehr Eisenvolumen stärker angezogen wurden, aber auch mehr gewichteten. Weitere Einzelheiten finden Sie unter „Methoden“: „Magnetische Messungen“. Weitere Charakterisierungen (Shore- und Zughärtetests sowie mikroskopische, konfokale und REM-Bilder) sind in den ergänzenden Abbildungen verfügbar. 8, 9, 10, 11, 12 und 13.

Das Material hatte nach der Vorbereitung und Betätigung eine homogene Farbe. Darüber hinaus zeigte die Dichte verschiedener Teile eine sehr geringe Abweichung (SD \(=\) 0,006 g/ml), wie im Zusatzbild 6 gezeigt. Dies zeigt, dass das Pulver auch nach der Betätigung eine homogene Verteilung aufwies und dass es zu keiner Agglomeration des Pulvers kam trat nach der Aktivierung des Magnetfelds auf.

(a) Temperatur auf der Oberseite der Proben im Zeitverlauf, wenn sie auf ein beheiztes Bett mit 50 \({^\circ }\)C gelegt werden; die Wärme wird nach 60 Minuten entfernt; mit farbigen (b,c) Wärmebildern. (d) Temperatur über der Zeit an der Seite der Proben, wenn ein Brennfleck in der Mitte angebracht wird und die Wärme nach 20 Minuten entfernt wird; mit farbigen (e,f) Wärmebildern. (g) Magnetische Anziehungskraft auf die Proben.

Grundlegende Eingriffe am Material erfolgen durch Erhitzen eines bestimmten Bereichs, Anziehen dieses Bereichs mit einem Magnetfeld und anschließendes Abkühlen durch passive Dissipation oder aktiv mit einem Kaltluftstrahl. Das Material kann in verschiedenen Dimensionalitäten eingesetzt werden: 1D-Filament, 2D-Platten und 3D-Platten.

Grundlegende Manipulationen. (a) Biegen und Nichtbeugen. b) Dehnen und Zusammenziehen. (c) Aufteilung. (d) Zusammenführen. (e) Steigend. Die Maßstabsbalken sind 3 cm lang.

Wenn sich das Material im festen Zustand befindet, kann ein Magnetfeld es mithilfe regelmäßiger magnetischer Anziehungsmanipulation entlang von Oberflächen verschieben. Da wir ferromagnetische Fe-Partikel verwendet haben, wird die Verbindung immer vom Magneten angezogen. Eine präzise und selektive Steuerung ist möglich. Mittels zweier Magnete wurde eine Drehung länglicher Materialstücke erreicht. Die Anwendung von Wärme kann bestimmte Teile des Materials oder das gesamte Stück schmelzen und glätten, wenn sie global angewendet wird, entweder durch magnetische Kräfte von unten oder durch die Wirkung der Schwerkraft. Diese grundlegenden Manipulationen sind in der ergänzenden Abbildung 5 dargestellt.

Das Biegen länglicher Teile kann an einer gezielten Stelle erreicht werden, indem konzentrierte Wärme auf den gewünschten Drehpunkt angewendet und dann ein Magnetfeld über dem Drehpunkt angelegt wird. Der andere Teil kann an Ort und Stelle gehalten werden: durch sein Eigengewicht, wenn er groß genug ist, durch einen anderen Magneten oder durch Anhaften mit Hitze; Biegevorgänge werden im umgekehrten Verfahren durchgeführt (Abb. 3a). Die Dehnung und Kontraktion wird erreicht, wenn beide Teile (oberhalb und unterhalb des erhitzten Bereichs) bewegt werden, indem sie getrennt bzw. angenähert werden (Abb. 3b). Werden die festen Teile weiter getrennt, bricht der erhitzte formbare Teil und das Material spaltet sich in zwei Teile (Abb. 3c). Das Zusammenfügen getrennter Teile kann durch Erhitzen an den gewünschten Verbindungsbereichen und anschließendes Zusammendrücken dieser Bereiche erfolgen (Abb. 3d). Das Aufsteigen eines Teils kann durch Erhitzen der gesamten Probe und anschließendes Anlegen eines Magnetfelds von oben erreicht werden (Abb. 3e).

Das Erhitzen der Oberfläche des Materials kann mit Licht in 1 Minute erreicht werden, das Erhitzen des gesamten Werkstücks kann in 10 Minuten erfolgen. Das Biegen erfolgte mit 5\(^\circ\)/s, die Dehnungs- und Kontraktionsmanipulation dauerte 10 s, die Dauer beim Spalten war ähnlich. Um eine vollständige Trennung in zwei Teile zu erreichen, ist ein Mindestabstand von 5 cm einzuhalten. wurde benötigt. Die Steiggeschwindigkeit betrug 5 mm/s, es ist möglich, schneller zu gehen, aber eine präzise Steuerung ist erforderlich, um zu verhindern, dass das Material in den Magneten gelangt. Die maximale Höhe betrug 10 cm, längere Äste sind möglich, diese mussten jedoch von außen gekühlt werden, um ein Zusammenfallen zu vermeiden.

Ausgehend von einem einzelnen Filamentstrang können durch die Kombination grundlegender Vorgänge verschiedene Buchstaben erstellt werden. Der Faden wird in verschiedene Segmente aufgeteilt, aus denen jeder Buchstabe entsteht. Die getrennten Teile wurden an gezielten Positionen in bestimmten Winkeln gebogen. Anschließend wurden einige Segmente zusammengefügt. Jeder Buchstabe kann anschließend als Ganzes verschoben werden. Die Buchstaben S,M,A,R,T wurden mit diesem Verfahren erstellt (Abb. 4a).

Komplexe Manipulation. (a) Buchstaben mit 1D-Filament formen. (b) Reversible Braille-Muster auf einem Blatt. (c) Geprägter Buchstabe M auf einem Blatt. (d) Verzweigung. (e) Bildhauerei in 3D. Die Maßstabsbalken sind 3 cm lang.

Durch die Anwendung von Lichtmustern können beliebige Muster in ein Blatt eingearbeitet werden, um es an bestimmten Stellen formbar zu machen. Dann erhebt ein Magnetfeld von oben die formbaren Bereiche. Braille-Muster (Abb. 4b) und die Kontur des Buchstabens M (Abb. 4c) wurden auf Blätter geprägt. Dieser Vorgang ist reversibel, indem die gesamte Oberfläche mit Wärme behandelt wird, um sie zu glätten.

Eine organische Baumform wurde geschaffen, indem ein Materialklumpen in einen Hauptstamm gehoben und anschließend Unterzweige extrudiert wurden (Abb. 4d). Aus einem Materialklumpen entstand die Skulptur eines Meeresbewohners. Zunächst wurde es durch Schmelzen abgeflacht. Dann wurde die allgemeine Form von Schwanz, Hals und Flossen gestreckt. Zweitens wurden entlang des Schwanzes Stacheln angebracht. Drittens wurde der Unterhals erhitzt und dann durch Ziehen von oben angehoben. Schließlich wurde der Endteil des Halses durch Biegen nach unten und Anheben zweier kleiner Antennen zu einem Kopf geformt (Abb. 4e). Wir stellen fest, dass alle diese Schritte aus der Ferne durchgeführt wurden.

Mit magnetischem Pulver dotierte flexible Filamente können verwendet werden, um durch verzerrte Umgebungen zu navigieren10. Hier können wir auch steuern, welche Teile des Filaments durch Erhitzen flexibel oder starr werden. Dies ermöglicht die Verwendung des Filaments als Haken zum Greifen von Objekten in der Luft (Abb . 5a,b) oder Wasser (Abb. 5c).

Anwendungsfälle. (a) Ein Haken zum Greifen eines kleinen Gegenstands. (b) Ein größerer Haken zum Ziehen eines schwereren Gegenstands kann bis zu 20 kg ziehen. (c) Betrieb unter Wasser. (d) Angehobene Säule als Tragkonstruktion. (e) Filament haftet an getrennten Stellen, um sie zu verbinden. (f) In unterschiedlichen Abständen gestapelte Filamente zur selektiven Filterung. (g) Erhitzen des Materials in einem Behälter mithilfe von Mikrowellen, um es dynamisch ausdehnen und zusammenziehen zu können und nach der Erstarrung die Ausdehnung des Behälters aufrechtzuerhalten. Die Maßstabsbalken sind 3 cm lang.

Die mechanischen Eigenschaften des Thermoplasts ermöglichen es dem Material, als Träger für Strukturen zu fungieren (Abb. 5d). Wenn das Material auf über 80 \({^\circ }\)C erhitzt und dann abgekühlt wird, haftet es an verschiedenen Oberflächen. Dies kann verwendet werden, um getrennte Bereiche zu verbinden (Abb. 5e) und passierende Objekte zu filtern (Abb. 5f). .

Das Material kann auch in optisch undurchsichtigen Medien mithilfe von Mikrowellen erhitzt werden. Ein 2,45-GHz-Magnetron erhitzte das Material und machte es formbar, während es sich in einem Lungensimulatorballon befand. Dann konnte er mit einem Magnetfeld kontrolliert expandiert und geschrumpft werden, und als das Material erstarrte, hielt es den Ballon expandiert (Abb. 5g).

Die Reichweite der Magnetfelder ist auf ca. 6 cm begrenzt, dennoch handelte es sich bei den verwendeten Magneten um normale Neodymzylinder. Stärkere Magnetfelder von Spezialgeräten würden eine größere Reichweite ermöglichen.

Wärmediffusion ist notwendig, um das Material über die Oberfläche hinaus formbar zu machen, wo das Licht das Material beleuchtet. Durch die Diffusion werden die thermischen Muster jedoch weniger scharf und die erreichbare Steilheit bei Oberflächenverformungen wird begrenzt. Materialien mit einer geringeren Eisenkonzentration haben eine geringere Leitfähigkeit durch das Material und werden an der Oberfläche heißer und eignen sich daher besser für Oberflächenmanipulationen wie Braille-Codes. Verbindungen mit mehr Eisen eignen sich besser für Manipulationen an der Masse (z. B. Biegen, Spalten, Steigen oder Schmelzen). Die Mikrowellenerwärmung kann zur Massenerwärmung auch bei geringer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden, da sie in das Material eindringt, während für die Oberflächenerwärmung lichtbasierte Methoden oder Luft besser geeignet sind.

Durch Mischen des thermoplastischen Polymers mit Eisenpartikeln wurden homogene Verbindungen erhalten. Angesichts der Größe der Partikel und der Viskosität des Materials behielt die Verbindung ihre Gleichmäßigkeit auch nach mehreren Manipulationen (dh die Partikel zogen den Kunststoff mit sich) am selben Stück. Eine Oxidation der Eisenpartikel oder eine Farbveränderung der Materialien wurde während der gesamten Experimente nicht beobachtet, selbst bei den Proben, die in Wasser getaucht waren.

Die Magnetfelder wurden in einem geschlossenen Regelkreis gesteuert, indem die Magnete entsprechend der visuellen Beobachtung der Materialreaktionen bewegt und gedreht wurden. Da die Erwärmung jedoch im offenen Kreislauf erfolgte, ließe sich eine bessere Kontrolle der thermischen Muster erzielen, wenn sie im geschlossenen Kreislauf mit einer Wärmebildkamera angewendet würde.

Der verwendete Thermoplast (PCL) ist biokompatibel, Eisenpartikel (oder deren Oxide) werden häufig in medizinischen Anwendungen verwendet. Darüber hinaus kann Mikrowellenstrahlung Eisenpartikel erhitzen, ohne das umgebende biologische Gewebe wesentlich zu erhitzen27. Dies macht die Verbindung für Operationen im menschlichen Körper nutzbar, die von außen, beispielsweise entlang des Verdauungstrakts oder der oberen Atemwege, manipuliert werden können.

In diesem Artikel haben wir uns auf die mechanischen Manipulationen konzentriert, die nur durch die thermomagnetische Betätigung möglich sind. Dem Material können verschiedene Funktionalisierungen hinzugefügt werden. Zum Beispiel das Hinzufügen von Silberverbindungen, um es in rekonfigurierbaren Schaltkreisen leitfähig und funktionsfähig zu machen, oder von antibiotischen Mikrokapseln im Zentrum, die freigesetzt werden, wenn das Material gespalten wird.

Es wurde gezeigt, dass Fernmanipulationen von beispielloser Komplexität einen ferromagnetischen Thermoplast mit thermischen Mustern und Magnetfeldern steuern. Diese Funktion eröffnet Anwendungen in taktilen Displays und der Objektmanipulation. Wir heben die Fähigkeit von Mikrowellen- und Magnetfeldern hervor, optisch undurchsichtige Materialien zu durchdringen, wodurch diese Manipulationen für den Betrieb in biologischem Gewebe oder Kunststoffbehältern geeignet sind.

Die Proben wurden durch Lösungsgießen einer Mischung aus Polycaprolacton (PCL, Polydoh Materialix) mit Eisenpartikeln von 100\(\mu\)m mit 98 % Reinheit (Alquera) hergestellt. Um eine gute Vermischung zu gewährleisten, wurden die Lösungsmittel Dichlormethan (DCM) und Hexan (Sigma Aldrich) verwendet.

Dabei wurden fünf Proben (S10, S20, S30, S40 und S50) mit unterschiedlichem Eisengehalt im Volumen in einer Kabine mit Dunstabzugshaube und unter Normalbedingungen bei Raumtemperatur hergestellt. Ein Becherglas mit einem Fassungsvermögen von 1 l wurde auf eine Heizplatte IKA C-MAGHS7 mit einem Temperaturregler IKA ETS-D5 und einem digitalen Rührer LaboLan OS40-S, ausgestattet mit einem Mischpaddel, gestellt. Zunächst wird die Temperatur des DCM-Lösungsmittels im Becherglas auf 30 \(^{\circ }\)C eingestellt. Die Lösungsmittelmenge betrug das Zehnfache des Volumens der aufzulösenden Polymermasse, z. B. 200 ml Lösungsmittel für 22 g PCL. Dann wurde das Polymer hinzugefügt. Die Reaktion wurde bei \(30{\pm }2 \,^{\circ }\)C durchgeführt und 2 h lang bei einer Geschwindigkeit von 300 U/min gerührt. Sobald das Polymer vollständig aufgelöst war, wurde das Eisenpulver in die Lösung eingearbeitet und 1 Stunde lang gemischt, wobei die mechanische Rührgeschwindigkeit auf bis zu 500 U/min erhöht wurde. Nachdem die Eisenpartikel vollständig dispergiert waren, wurden 100 ml Hexan zugegeben, um die Verbundfällung zu fördern, und die Lösungstemperatur wurde auf \(50{\pm }2 \, ^{\circ }\)C erhöht, um beide Lösungsmittel zu verdampfen .

Sobald die Mischung homogen ist und die Lösungsmittel verschwunden sind, kann die Mischung entnommen und in eine Form gegeben werden. Um die Unterschiede innerhalb der Experimente zu minimieren, wurde für jede Probe unter Berücksichtigung der Formkapazität und der Materialdichte ein Volumen von etwa 21,34 cm\(^{3}\) festgelegt: PCL (\(\rho =\) 1145 g/cm\(^ 3\)) und Eisen (\(\rho =\) 7874 g/cm\(^3\)). Diese Silikonformen wurden zur Herstellung von 3D-Proben mit zylindrischer Form verwendet. Die 2D-Blätter wurden auf die gleiche Weise hergestellt, aber anstatt sie in eine Form zu legen, wurden sie mit einem Nudelholz aus Edelstahl auf einer Silikonmatte flachgedrückt. Für die 1D-Filamente wurde die Verbindung in Pellets zerkleinert und in einen Extruder (FelFil Evo, ausgestattet mit einer Düse mit kreisförmigem Querschnitt von 1,75 mm) bei 60 °C und einer Geschwindigkeit von 6 mm/s eingebracht. Proben sind in der ergänzenden Abbildung 1 und das resultierende Gewicht der Volumenanteile in Tabelle 1 zu sehen.

Während der Experimente wurden verschiedene Wärmequellen verwendet: eine fokussierte Halogenlampe, eine Heißluftpistole, eine IR-Lampe, ein Acetatmaskenprojektor, ein Laser und eine Mikrowelle. Sie sind in Abb. 6 dargestellt.

(a) Erhitzen mit einer GE 4405 PAR36-Lampe mit 12,8 V und 30 W, Fokussierung des Lichts mit einer plankonvexen asphärischen Linse LAF6075. (b) Erhitzen mit einer MMOBIEL Yihua 858D Heißluftlötstation. (c) Erhitzen mit Beurer IL21 Infrarotlampe. (d) Erhitzen mit einem 3M 9000 AHKS-Overheadprojektor: unter Verwendung einer Maske und einer fokussierenden plankonvexen asphärischen Acryllinse von 90 mm \(\varnothing\) und F \(=\) 20 mm. (e) Erhitzen mit einer Taurus W750MG Mikrowelle. (f) Erhitzen mit einem Vevor 3B 450 nm und 2500 mW blauen Laser. (g) Temperaturentwicklung bei Verwendung verschiedener Wärmequellen über 60 s.

Eine Wärmebildkamera RS PRO T-10 (RS Components) wurde verwendet, um die Temperatur der Proben an verschiedenen Stellen zu messen. Im Massenwärmeleitfähigkeitsexperiment wurden die Proben auf einem Heizbett eines Ender 3 PRO 3D-Druckers erhitzt, der im geschlossenen Kreislauf auf 50 \({^\circ }\)C eingestellt war. Im thermischen Experiment mit Punktausbreitung wurde die fokussierte Halogenlampe (GE 4405 PAR36 30 W) verwendet, um den Mittelpunkt der Oberfläche jeder Probe zu erhitzen. Das Fokuslicht wurde auf einen Abstand von 5 cm von der Spitze einer asphärischen Acryllinse (Knight Optical LAF6075) eingestellt. Die Lampe arbeitete mit Nennleistung.

Zur Erzeugung der Magnetfelder, die die Proben manipulierten, wurden verschiedene Magnete verwendet. Sie sind in der ergänzenden Abbildung 3 zu sehen. Ihr Feld wurde mit einem Teslameter (WT10A) gemessen. Die Magnete wurden manuell, mit Stativen oder mit Lineartischen bewegt.

Für die Magnetkraftmessung wurde jede Probe an einem Magneten (Wukong 304 M8 Neodym N52) befestigt und eine zunehmende nach unten gerichtete Kraft ausgeübt, bis sich die Probe davon löste. Der Magnet wurde an einem digitalen Dinamometer (GPISEN 50 kg, 5 g Fehler) aufgehängt, wie in Abb. 6g dargestellt. Die Kraft wurde als die maximale Kraft aufgezeichnet, die zum Ablösen des Magneten erforderlich war.

Die für diese Forschung generierten oder analysierten Daten sind im veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Toffoli, T. & Margolus, N. Programmierbare Materie: Konzepte und Umsetzung. Physica D Nichtlineares Phänomen. 47, 263–272 (1991).

Artikel MathSciNet Google Scholar

McEvoy, MA & Correll, N. Materialien, die Erfassung, Betätigung, Berechnung und Kommunikation koppeln. Wissenschaft 347, 1261689 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yim, M. et al. Modulare selbstrekonfigurierbare Robotersysteme [große Herausforderungen der Robotik]. IEEE-Roboter. Autom. Mag. 14, 43–52 (2007).

Artikel Google Scholar

McCarthy, W. Programmierbare Materie. Natur 407, 569–569 (2000).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Mahimwalla, Z. et al. Azobenzol-Photomechanik: Perspektiven und mögliche Anwendungen. Polymerbulle. 69, 967–1006 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Wani, OM, Zeng, H. & Priimagi, A. Eine lichtbetriebene künstliche Fliegenfalle. Nat. Komm. 8, 1–7 (2017).

Artikel Google Scholar

Palagi, S. et al. Strukturiertes Licht ermöglicht biomimetisches Schwimmen und vielseitige Fortbewegung photoresponsiver weicher Mikroroboter. Nat. Mater. 15, 647–653 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Paven, M. et al. Lichtgesteuerte Lieferung und Freisetzung von Materialien mithilfe flüssiger Murmeln. Adv. Funktion. Mater. 26, 3199–3206 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Okamura, H., Yamaguchi, K. & Ono, R. Lichtbetriebener Aktuator mit Formgedächtnislegierung zur Manipulation makroskopischer Objekte. Int. J. Optomech. 3, 277–288 (2009).

Artikel Google Scholar

Kim, Y., Parada, GA, Liu, S. & Zhao, X. Ferromagnetische weiche Kontinuumsroboter. Wissenschaft. Roboter. 4, eaax7329 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Hu, W., Lum, GZ, Mastrangeli, M. & Sitti, M. Kleiner Roboter mit weichem Körper und multimodaler Fortbewegung. Natur 554, 81–85 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Xu, T., Zhang, J., Salehizadeh, M., Onaizah, O. & Diller, E. Flexible Roboter im Millimeterbereich mit programmierbarer dreidimensionaler Magnetisierung und Bewegungen. Wissenschaft. Roboter. 4, aav4494 (2019).

Artikel Google Scholar

Gu, H. et al. Magnetische Zilienteppiche mit programmierbaren metachronalen Wellen. Nat. Komm. 11, 1–10 (2020).

Artikel Google Scholar

Sun, M. et al. Rekonfigurierbarer magnetischer Schleimroboter: Verformung, Anpassungsfähigkeit und Multifunktion. Adv. Funktion. Mater. 32, 2112508 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Kobayashi, M. & Abe, J. Optische Bewegungssteuerung von Magnetschwebegraphit. Marmelade. Chem. Soc. 134, 20593–20596 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Li, M. et al. Flexible magnetische Verbundwerkstoffe für lichtgesteuerte Betätigung und Schnittstellen. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. 115, 8119–8124 (2018).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Li, F. et al. Magnetisch und elektrisch steuerbare funktionelle Flüssigmetalltröpfchen. Adv. Mater. Technol. 4, 1800694 (2019).

Artikel Google Scholar

Zhou, X. et al. Drähte mit variabler Steifigkeit auf Basis magnetorheologischer Flüssigmetalle. Int. J. Smart Nano Mater. 13, 1–12 (2022).

Artikel Google Scholar

Bae, DH et al. Erwärmungsverhalten eines in ferromagnetische Fe-Partikel eingebetteten thermoplastischen Polyurethan-Klebefilms durch Induktionserwärmung. J. Ind. Eng. Chem. 30, 92–97. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2015.05.007 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Göktük, HS, Fiske, TJ & Kalyon, DM Elektrische und magnetische Eigenschaften eines thermoplastischen Elastomers, in das ferromagnetische Pulver eingearbeitet sind. IEEE Trans. Magnet. 29, 4170–4176. https://doi.org/10.1109/20.280866 (1993).

Artikel Google Scholar

Mahieu, A., Terrié, C. & Youssef, B. Thermoplastische Stärkefilme und thermoplastische Stärke/Polycaprolacton-Mischungen mit sauerstofffangenden Eigenschaften: Einfluss des Wassergehalts. Ind. Nutzpflanzen Prod. 72, 192–199. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.11.037 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, JA-C., Gillen, JH, Mishra, SR, Evans, BA & Tracy, JB Photothermisch und magnetisch gesteuerte Rekonfiguration von Polymerverbundwerkstoffen für die Soft-Robotik. Wissenschaft. Adv. 5, eaaw2897 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, D. et al. Mehrfeldsynergie, die weiche Polymer-Hydrogel-Transformatoren manipuliert. Adv. Intel. Syst. 3, 2000208 (2021).

Artikel Google Scholar

Chow, TL Einführung in die elektromagnetische Theorie: Eine moderne Perspektive (Jones & Bartlett Learning, 2006).

Google Scholar

Stolarski, M. Die Magnetfelduberlagerte Zentrifugation: Ein Neues Hybrides Trennverfahren zur Selektiven Bioseparation. Ph.D. Thesis, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Dissertation, 2011 (2011).

Pingkarawat, K. et al. Ausheilung von Kohlefaser-Epoxid-Verbundwerkstoffen unter Verwendung thermoplastischer Additive. Polymerchemie. 4, 5007–5015 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Pearce, JA, Cook, JR & Emelianov, SY Ferrimagnetische Nanopartikel verbessern die Mikrowellenerwärmung für die Tumorhyperthermietherapie. im Jahr 2010 jährliche internationale Konferenz des IEEE Engineering in Medicine and Biology. 2751–2754 (IEEE, 2010).

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Diese Forschung wird durch das EU-Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 101017746 TOUCHLESS finanziert.

UPNA ISC, UpnaLab, 31006, Pamplona, Spanien

Josu Irisarri, Iñigo Ezcurdia & Asier Marzo

Physikabteilung, UPNA, 31006, Pamplona, Spanien

Xavier Sandua

Wissenschaftsabteilung, ANWENDUNGEN 2, 31006, Pamplona, Spanien

Itziar Galarreta-Rodriguez und Jose Ignacio Pérez-Landazabal

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JI, IE, XS und IG führten Experimente durch. JI und AM haben den Artikel geschrieben. JI und IE haben ergänzende Videos aufgenommen und bearbeitet. JI und IE haben die Figuren erstellt. JI und IG stellten die Muster her. AM konzipierte die Forschung und führte die Simulationen durch. Alle Autoren haben durch die Bearbeitung des Manuskripts ihren Beitrag geleistet.

Korrespondenz mit Asier Marzo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Zusatzvideo 1.

Zusatzvideo 2.

Zusatzvideo 3.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Irisarri, J., Ezcurdia, I., Sandua, X. et al. Komplexe selektive Manipulationen thermomagnetischer programmierbarer Materie. Sci Rep 12, 20767 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24543-5

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Eingegangen: 10. September 2022

Angenommen: 16. November 2022

Veröffentlicht: 13. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24543-5

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