Když autory odborného článku jsou výzkumníci z Massachusettského technologického ústavu, zkráceně MITu (Massachusetts Institute of Technology), obvykle je to záruka kvalitní a zajímavé práce. I nejnovější číslo časopisu Nature prezentuje novinku z tamních laboratoří - skvělý, magnetickým polem ovladatelný „chytrý“ materiál, z něhož lze pomocí speciální 3D tiskárny vytvořit libovolný tvar podle počítačového programu. Na tom by nebylo nic převratného, kdyby… kdyby součástí naprogramovaného zadání nebyly také rychlé a lehce ovladatelné pohyby vytištěného objektu. Protože je lepší jedenkrát vidět, než stokrát slyšet, redakce Nature zpropagovala tento půvabně hravý produkt materiálového výzkumu i formou popularizačního videa (český překlad mluveného komentáře je pod videem):

Překlad komentáře

Desítky let vědci pracují na materiálech, které mohou změnit tvar. Ať už se ohýbají, smršťují, nebo zkrucují, tyto druhy „inteligentních“ materiálů by mohly být užitečné pro robotiku, strojírenství a medicínu.

Zatím se mnohé z těchto materiálů transformují poměrně pomalu. Někdy potřebují připojení k řídicí jednotce pomocí drátů či trubek, nebo mají omezený rozsah pohybů.

Nyní vědci vyvinuli flexibilní inteligentní materiál, který je aktivován dálkově, může se pohybovat různými způsoby a dokáže se rychle transformovat - úplně změnit tvar za méně než vteřinu.

Tento materiál lze trojrozměrně vytisknout a ke změně jeho tvaru vědci používají magnety.

Technologie využívá měkkou silikonovou gumu, která obsahuje drobné železné částice. K jejich magnetizaci se používá magnetické pole, čímž vzniká magnetický materiál, který lze vytisknout v libovolném tvaru. A v průběhu tisku lze směr magnetického pole měnit.

Výsledkem je materiál s nejednotnou polaritou, což znamená, že každá část struktury může odlišně reagovat na magnetický náboj. Vědci přidali červený filtr pro filmování pohybů.

Systém je tak přesný, že vědci mohou naprogramovat počítačový model pohybující se určitým způsobem, vytisknout ho a tak stejný pohyb lze přesně zkopírovat ve fyzické struktuře.

Tým již vytvořil tvary, které se mohou smršťovat, různě tvarově přetvářet, dokážou zastavit míč, chytit ho a dokonce i skákat. Existuje však bezpočet dalších možností. Pokud je lze namodelovat, můžou být vytvořeny.

Protože se využívá dálkově ovládané magnetické pole, mohou se tyto materiály využít v malých, nepřístupných místech. V medicíně by mohly být užitečné pro transport léků uvnitř těla, nebo v chirurgii. Nebo v robotice, složité změny tvaru by mohly přispět ohebným robotům flexibilními doplňky.

Ve skutečnosti má tato technologie rychlé změny tvaru, spolu s již existujícími inteligentními materiály, řadu potenciálních využití v široké škále průmyslových odvětví - vše jen s přepnutím magnetického spínače.

Na počátku je myšlenka – představa tvaru a jeho možných pohybů, pak počítačem vytvořen virtuální model a simulace jeho funkcí. Podle naprogramovaných instrukcí speciální tiskárna vytvoří skutečný objekt. Kredit: Yoonho Kim et al: Printing ferromagnetic domains for untethered fast-transforming soft materials, Nature vol. 558, (2018)

Poutavé video, zajímavý materiál, stojí za námahu se dovědět něco víc

Na počátku je představa a program, v němž se převede do virtuální formy. Naprogramovaný útvar musí mít předem danou nejen přesnou prostorovou strukturu, ale také tu magnetickou – podrobnou mapu magnetických momentů v jeho jednotlivých částech podle toho, jakých pohybů bude schopen při předem daných změnách vnějšího magnetického pole. Základem magnetických vlastností samotného materiálu, a tím i jeho ovládatelnosti, jsou feromagnetické mikročástice ze slitiny neodymu, železa a bóru o průměru přibližně 5 mikrometrů. Nezmagnetizované se spolu s nanočástečky pyrogenního oxidu křemičitého dobře smíchají s dvousložkovým silikonem (katalyzátor + silikon SE 1700 + silikonový tzv. síťovač, který zajišťuje vzájemné propojení silikonových polymerních vláken do velmi pružné, ale tvarově stabilní struktury - silikonové gumy). Role nanočástic oxidu křemičitého je kontrolovat viskozitu „inkoustu“, aby si tenké vlákénko po vytlačení z trysky udrželo na podložce svůj tvar. Po smíchání se směs musí zbavit bublinek vzduchu, pak se vystaví silnému pulznímu magnetickému poli o intenzitě až 2,7 Tesla. Tím se feromagnetické mikročástice zmagnetizují do stavu úplného magnetického nasycení. Aby se v dané části výsledného tvaru dosáhl požadovaný magnetický moment, musí v ní dojít k naorientování těchto mikromagnetů do příslušného směru. To zajišťuje silný permanentní magnet, nebo cívka elektromagnetu umístěna u trysky tiskárny, přičemž magnetický dipól je vždy orientován jedním nebo druhým směrem podél tištěného směru. Změny magnetické orientace mikročástic lze dosáhnout buď přepólováním magnetu u trysky, nebo změnou směru tisku.

Pro tisk ve více vrstvách výzkumníci používají třívrstevný silikonový inkoust, v němž je z trysky vytlačena magnetická složka mezi dvě nemagnetické.

Výsledný vytištěný tvar je potřebné stabilizovat při teplotě 120°C po dobu minimálně jedné hodiny.

Popsaný „recept“ je samozřejmě velice stručný a zjednodušený. Ty které nový chytrý materiál zaujal, mají možnost získat veškeré podrobné informace, protože redakce Nature uvolnila článek ke čtení (ne stahování) i s doplňkovými upřesňujícími údaji a obrázky na stránce časopisu (ZDE).