蓝冠注册: 解决:流体力学之谜,困惑了科学家几十年

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蓝冠注册《Q374919 》俄勒冈州立大学的一位环境工程教授解决了几十年来有关流体行为的一个谜题,这是一个在医学、工业和环境领域广泛应用的研究领域。

Brian D. Wood的这项研究发表在《流体力学杂志》上,扫除了近70年来一直困扰着科学头脑的一个障碍,蓝冠官网 并为更清晰地了解化学物质如何在流体中混合铺平了道路。

更全面地掌握这一基本原则为一系列领域的进展提供了基础——从污染物如何在大气中扩散到药物如何在人体组织内灌注。

在国家科学基金会的资助下,伍德对色散理论的研究建立在俄勒冈州历史上最有成就的科学家之一Octave Levenspiel的研究之上。Levenspiel在1952年获得化学工程博士学位,后来成为一名长期的教员。他在1957年发表了一篇关于化学反应器分散性的重要论文,并成为该院第一个被选入国家工程院的人。

更重要的是,蓝冠注册 伍德的研究填补了流体力学基本原理之一泰勒色散理论的长期空白。该理论以英国物理学家和数学家G.I.泰勒的名字命名,泰勒在1953年发表了一篇开创性的论文。

伍德说:“随着时间的推移,这种分散扩散的过程趋向于增加,直到达到一个稳定的水平。”“你可以把它想象成类似于对初创公司的投资,最初的回报率可能非常高,然后才会稳定到一个更可持续、接近恒定的水平。”

泰勒的理论是第一个允许研究人员使用所谓的宏观色散方程来预测稳定的色散水平的理论。该方程可以描述一种化学物质在流体中的净运动,蓝冠招商 前提是该化学物质进入流体已有足够的时间。

伍德说:“这在当时是一个重大的发现。“这和其他学科的研究人员在理论上做的事情是一样的,比如量子力学。”

尽管泰勒的理论是成功的和革命性的,研究人员仍然在为分散传播如何从它的动态的、早期的行为——也就是它的初始条件——发展到它何时达到泰勒预测的更常值而苦苦挣扎。

科学家们在方程中加入了一个随时间变化的离散系数,取得了一些成功,但该系数本身也存在一些问题,主要是似是而非的问题。

“例如,如果在两个不同时间注入液体的化学溶质重叠,你把哪个时间指定为分散系数?””伍德说。“泰勒自己也明白,如果采用了依赖时间的离散系数,当代理论就违反了物理学中因果关系的基本概念。”

Wood和他的合作者使用了另一种理论,偏微分方程理论,来证明时间依赖性分散系数的问题是由于忽略了溶质的弛豫而引起的,溶质是注入到流体或溶液中的化学物质。

“当化学物质第一次被注入时,它们的行为并不一定与色散型方程一致,”Wood解释道。“相反,初始条件首先必须‘放松’。’在此期间,泰勒的宏观色散方程中缺失了一个附加项来解释这一现象。”

在一个等式中,一个术语是指一个单一的数字或一个变量,或数字和变量相乘。

蓝冠官网: 实验室中的超新星:模拟宇宙爆炸的壮丽后果

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蓝冠官网《Q374919 》坐落在金牛座,一个壮观的旋转宇宙气体测量六光年跨越翡翠和赤褐色阴影发光。蟹状星云诞生于一颗超新星,蓝冠官网 一颗巨星的爆炸,现在,一台双门大小的实验室机器复制了巨大的爆炸是如何描绘出这些天文漩涡形成的。

“它有6英尺高,看起来像一大块披萨,顶部大约有4英尺宽,”Ben Musci说,他在乔治亚理工学院为一项研究建造了超新星机器。

这台机器也和门一样薄,垂直放置,“披萨片”的尖端在底部。尖端的一次简单的爆炸将一股冲击波推向顶部,蓝冠注册 在机器的中间,冲击波穿过两层气体,使它们在湍流中混合成漩涡,就像超新星留下的漩涡一样。

激光照亮了这些漩涡,通过一扇窗户,一个带近距离镜头的高速照相机捕捉到了这些美丽的景象,同时还捕捉到了厘米尺度上的数据,蓝冠招商 这些数据可以用成熟的物理数学推断出天文尺度上的数据。让机器产生对研究自然有用的结果花了两年半的工程调整。

蓝冠注册: 滑行2 d平面上有蛇,搜救机器人受到蛇(视频)

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蓝冠官网《Q374919 》蛇生活在各种各样的环境中,从难以忍受的炎热沙漠到郁郁葱葱的热带森林,在那里它们每天爬上树木、蓝冠注册 岩石和灌木。通过研究这些蛇是如何移动的,约翰霍普金斯大学的工程师们已经制造出一种可以灵活而稳定地爬上大台阶的蛇机器人。

该团队的新发现发表在《实验生物学杂志》和《皇家学会开放科学》上,促进了能够成功导航危险地形的搜救机器人的发明。

“我们从这些令人毛骨悚然的生物身上寻找运动灵感,因为它们已经非常擅长在日常生活中稳定地攀爬障碍物。”希望我们的机器人能学会如何像蛇一样在表面上摆动和编织。

李说,之前的研究主要观察了蛇在平面上的运动,但很少在3D地形上,除了在树上,而且没有考虑到现实生活中的大障碍,如碎石和碎片,蓝冠 搜索和救援机器人必须爬过去。

李的团队首先研究了变量大家庭中的一种,通常可以发现一条蛇生活在沙漠和pine-oak森林,爬在李的Terradynamics实验室步骤。李的实验室将机器人技术、生物学和物理学在一起研究动物运动技巧和窍门建造更多通用的机器人。

“这些蛇必须定期穿越巨石和倒下的树木;他们是动作大师,我们可以向他们学习很多东西。”李说。

李和他的团队进行了一系列的实验,通过改变台阶的高度和台阶的表面摩擦来观察蛇是如何扭曲它们的身体来应对这些障碍物的。

他们发现蛇把自己的身体分成三部分:它们的前肢和后肢在水平台阶上像波浪一样来回扭动,而身体的中间部分保持僵硬,悬浮在原地,以便跨过大台阶。他们注意到,弯曲的部分提供了稳定,以防止蛇翻倒。

当蛇靠近并走上台阶时,三个身体部分依次向下移动。随着到达台阶的蛇越来越多,蛇的前体部分变长,后体部分变短,而蛇的中间部分保持大致相同的长度,垂直悬挂在两级台阶的上方。

如果台阶变得更高更滑,蓝冠官网 蛇就会移动得更慢,前后身体扭动得更少,以保持稳定。

在分析了他们的视频并注意到蛇是如何爬上实验室的台阶后,李实验室的研究生傅启元创造了一个模仿动物运动的机器人。

一开始,机器人蛇在大台阶上很难保持稳定,经常摇晃、翻倒或卡在台阶上。为了解决这些问题,研究人员将悬挂系统(就像你的汽车一样)插入身体的每个部分,以便在需要的时候可以压缩表面。在此之后,蛇机器人不那么摇晃,更加稳定,爬上的台阶高达体长的38%,成功率接近100%。

与其他研究中的蛇形机器人相比,李的蛇形机器人比其他所有机器人都更快更稳定,甚至接近于模仿实际蛇的速度。然而,增加的车身悬挂系统的一个缺点是机器人使用了更多的电力。

“动物仍然要优越得多,但这些结果对于能够穿越大型障碍物的机器人领域来说是有希望的,”李补充道。

接下来,该团队将测试和改进蛇形机器人,以适应更复杂的3-D地形和更大的非结构化障碍。

参考文献:“蛇穿越大而平滑的障碍的机器人模型揭示了身体依从性的稳定性好处”,作者:傅启源和陈丽,《实验生物学杂志》和《皇家学会开放科学》,2020年2月19日。

DOI: 10.1098 / rsos.191192

科学接口的Burroughs Wellcome基金职业奖、Arnold & Mabel Beckman基金会Beckman青年研究者奖和约翰霍普金斯大学怀廷工程学院启动基金为这些研究提供了资金。

这两篇论文的其他作者包括约翰·霍普金斯大学的肖恩·w·加特和托马斯·w·米切尔。

蓝冠官网: 新的旋转爆炸引擎可以使航天器更便宜、更轻

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蓝冠《Q374919 》把什么东西发射到太空需要很多燃料。将美国宇航局的航天飞机送入轨道需要超过350万磅的燃料,蓝冠官网 大约是一只蓝鲸的15倍。

但是一种被称为旋转爆炸引擎的新型发动机不仅能使火箭更省油,而且更轻,构造更简单。只有一个问题:现在这个引擎太不可预测了,不能用在真正的火箭上。

华盛顿大学的研究人员开发了一个数学模型来描述这些发动机是如何工作的。有了这些信息,工程师们第一次可以开发测试来改进这些引擎,使它们更加稳定。该团队于2020年1月10日在《物理评论E》上发表了这些发现。

“旋转爆震发动机领域仍处于起步阶段。我们有大量关于这些引擎的数据,但我们不知道到底发生了什么,蓝冠注册 ”该研究的主要作者詹姆斯·科赫说,他是华盛顿大学航空航天专业的博士生。“我试图通过观察模式的形成,而不是问一个工程问题——比如如何得到性能最高的引擎——来重新塑造我们的结果,然后突然,结果证明它是可行的。”

传统的火箭发动机是通过燃烧推进剂,然后将其推出发动机后部来产生推力。

“旋转爆轰发动机采用不同的方法来燃烧推进剂,蓝冠 ”科赫说。“它是由同心圆柱体构成的。推进剂在气缸之间流动,点火后,快速的热释放形成激波,这是一种压力和温度明显高于声速的强烈气体脉冲。

蓝冠: 锂离子电池的竞争对手:新的金属钾技术

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蓝冠官网《Q374919 》锂离子电池的竞争对手:新的金属钾技术

伦斯勒团队找到了解决钾金属电池长期面临的问题的方法。

从手机到太阳能再到电动汽车,蓝冠 人类越来越依赖电池。随着对安全、高效和强大能源存储的需求不断上升,对可充电锂离子电池的替代品的呼声也在不断上升。可充电锂离子电池一直是该领域的主导技术。

研究发表在美国国家科学院院刊》上,伦斯勒理工学院的研究人员演示如何克服一个持久的挑战被称为树突创建一个执行近的金属电池以及锂离子电池,但依赖钾——更丰富和更少的昂贵的元素。

“就性能而言,它可以与传统的锂离子电池相媲美。——Nikhil Koratkar

电池有两个电极——一端是阴极,另一端是阳极。如果你要观察锂离子电池的内部结构,你通常会发现一个由氧化锂钴制成的阴极和一个由石墨制成的阳极。在充放电过程中,锂离子在这两个电极之间来回流动。

在这个实验中,如果研究人员简单地用钴酸钾代替钴酸锂,性能就会下降。钾是一种较大、较重的元素,因此能量密度较小。相反,Rensselaer团队希望通过用金属钾代替石墨阳极来提高钾的性能。

“就性能而言,蓝冠官网 它可以与传统的锂离子电池相匹敌,”伦斯勒机械、航空航天和核工程学院的教授尼基尔·卡拉特卡(Nikhil Koratkar)说,他也是这篇论文的第一作者。

虽然金属电池已显示出巨大的前景,但传统上它们也一直受到阳极上称为树突的金属沉积的困扰。电池在反复充放电过程中由于金属钾的不均匀沉积而形成枝晶。Koratkar解释说,随着时间的推移,金属钾集团变得很长,几乎像树枝。

如果它们长得太长,最终会刺穿绝缘隔膜,这种隔膜是为了防止电极彼此接触而导致电池短路。当电池短路时,就会产生热量,并有可能使设备内的有机电解质着火。

在这篇论文中,Koratkar和他的团队——其中包括伦斯勒的博士生Prateek Hundekar,以及来自马里兰大学的研究人员,包括化学和生物分子工程学教授王春生——解释了他们对这个问题的解决方案如何为实际的消费者使用铺平道路。通过操作电池在一个相对较高的充放电率,他们可以提高电池内部的温度在一个良好的控制方式,并鼓励树突自愈离开阳极。

Koratkar将这种自我修复过程比作暴风雪结束后的一堆雪。风和太阳帮助雪堆上的雪花移动,缩小了它的大小,蓝冠注册 最终使它变平。

同样地,虽然电池内部温度的升高不会融化金属钾,但它确实有助于激活表面扩散,使钾原子横向移动离开他们创造的“堆”,有效地平滑树突。

“这种方法的想法是,在晚上或者当你不用电池的时候,你会有一个电池管理系统,可以利用当地的热量,使树晶自我愈合,”Koratkar说。

此前,Koratkar和他的团队用锂金属电池演示了类似的自我修复方法,但他们发现钾金属电池完成自我修复过程所需的热量要少得多。Koratkar说,这一有希望的发现意味着金属钾电池可以更高效、更安全、更实用。

“我希望看到一个向金属电池转变的范例,”Koratkar说。“金属电池是制造电池最有效的方法;然而,由于这种树突问题,它们一直不可行。对于钾,我更有希望。”

蓝冠注册: 激光3D打印机成功生产超级磁铁

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蓝冠《Q374919 》研究小组开发了一种生产特殊设计磁体的方法。

磁性材料是机电设备如风力发电站、蓝冠注册 电动机、传感器和磁开关系统的重要组成部分。磁体通常使用稀土元素和传统制造方法生产。弗里德里希-亚历山大-埃兰根-纽伦堡大学(FAU)的一组研究人员与来自格拉茨理工大学、维也纳大学和Joanneum研究机构的研究人员一起使用3D打印机生产特殊设计的磁体。研究结果发表在《材料》杂志上。

永磁体被整合到许多机电应用中。传统的制造方法,如烧结或注射成型,并不总是能够应付日益增长的磁体小型化和由此产生的几何要求,蓝冠 这是一个趋势,在未来将继续下去。增材制造工艺提供了必要的设计自由。

由该校工厂自动化和生产系统研究所的Jorg Franke教授组成的研究小组,已成功利用激光3D打印技术制造出超级磁体。将磁性材料的金属粉末逐层添加,并通过熔融方法将颗粒连接起来。

这一过程允许磁体以相对高密度印刷,蓝冠官网 同时控制其微观结构。这使得研究人员能够精确地调整磁特性以适应需要的应用。

蓝冠注册: 由寄生虫激发的微型高科技针头可能有助于消除注射的痛苦

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蓝冠注册《Q374919 》 4D打印受到寄生虫的启发,创造出可以替代皮下注射针头的微型针。

疼痛的皮下注射针头在未来可能不需要进行注射,蓝冠注册 注射药物和采集血液样本。

根据发表在《高级功能材料》杂志上的一项研究,通过4D打印,罗格斯大学的工程师们已经制造出了模仿寄生虫附着在皮肤上的微型针,可以取代皮下注射的针。

3D打印是一层一层地构建物体,而4D则更进一步,智能材料经过编程可以在打印后改变形状。时间是允许材料变形成新形状的第四维空间。

“我们认为我们的4 d打印的微针阵列将允许更健壮和持续使用微创、无痛和易于使用的针头会提供药物,治疗伤口,若和其他软组织的应用程序,“李Howon资深作者说,助理教授的机械和航空航天工程工程学院的罗格斯大学(Rutgers 16不伦瑞克。

Bioinspired微针阵列

这种微针阵列具有朝后的倒钩,插入时与组织互锁,增强附着力。信贷:Riddish Morde

皮下注射针头在医院和实验室被广泛用于抽血和注射药物,会造成疼痛、皮肤疤痕和感染风险。糖尿病患者通常每天用针头抽取多次血液样本来监测血糖水平。

微针(微型针)正受到关注,因为它们又短又薄,蓝冠 微创性好,减少了疼痛和感染的风险,而且易于使用。但它们对组织的弱粘附性是长期控制药物传递或生物传感的一大挑战,生物传感涉及使用设备检测DNA、酶、抗体和其他健康指标。

在自然界中,一些昆虫和其他生物已经进化出附着在组织上的微观特征,如寄生虫的微钩、蜜蜂的带刺刺和豪猪的鳞状刺。受这些例子的启发,罗格斯大学的工程师开发了一种微型针,插入组织时可以与组织相互连接,增强附着力。他们结合了微3d打印技术和4d打印方法,在微针上创建了朝后的倒钩。

以鸡肌肉组织为模型,研究人员表明,与他们的微针的组织黏附力比与无杆微针的组织黏附力强18倍。该研究称,它们的发明优于以前报道的例子,从而使药物传递、生物体液收集和生物传感更加稳定和强劲。

参考文献:Daehoon Han、Riddish S. Morde、Stefano Mariani、Antonino a . La Mattina、Emanuele Vignali、Chen Yang、Giuseppe Barillaro和Howon Lee合著的《具有后向侧枝的生物激发微针阵列增强组织粘附的4D打印》,Advanced Functional Materials, 2020年2月4日。

DOI: 10.1002 / adfm.201909197

该研究的三位主要作者包括前罗格斯大学(Rutgers)博士生韩大宏(Daehoon Han,现为明尼苏达大学(University of Minnesota)博士后;前罗格斯大学(Rutgers)硕士学生瑞迪什·s·莫德(Riddish S. Morde),蓝冠官网 以及意大利比萨大学(University of Pisa)的研究员。罗格斯大学的博士生陈洋和比萨大学的研究人员对这项研究做出了贡献。这项研究由新泽西健康基金会和意大利教育部、大学和研究部资助。

蓝冠注册: 高熵合金超低温多阶段变形过程

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蓝冠注册《Q374919 》为设计具有优良机械性能的新型结构材料铺平道路。

由香港城市大学(CityU)科学家领导的国际研究小组最近发现,蓝冠官网 由于多种变形机制共存,高熵合金(HEAs)在超低温下表现出优异的力学性能。他们的发现可能是设计低温应用新结构材料的关键。

新当选为美国中子散射学会院士、城大讲座教授及物理系系主任王循礼教授,与日本及中国内地的科学家合作,进行这项极具挑战性的研究,研究高温下HEAs的变形行为。他们的研究结果发表在最新一期的科学杂志《科学进展》上,标题为“超低温度下高熵合金的协同变形”。

中子散射:一个强大的测量工具

HEAs是一类具有优异的强延性组合、高断裂韧性和耐腐蚀等力学性能的新型结构材料。它由多个主元组成,具有复杂的变形行为。

通常,材料在低温下会变得脆弱,因为原子被“冻结”,失去了流动性。但HEAs具有很高的延性,在低温下可以拉伸到大变形。这一现象于2014年首次被发现,但其背后的机制仍不清楚。这很有趣,”王教授说,蓝冠 他从那时起就一直在研究这个机制,也是这篇论文的通讯作者。

为了解决这一难题,王教授带领的研究小组利用原位中子衍射技术研究了HEAs的变形过程。中子衍射测量是观察材料变形过程中所发生的情况的为数不多的手段之一。我们可以看到每一个步骤:哪一种机制首先启动,它们如何相互作用,这是传统的实验方法,如透射电子显微镜无法做到的,”王教授解释说,他同时也是城市大学中子散射中心的主任。

“更重要的是,它可以在超低温(接近绝对零度)下进行测量。而且这些测量数据代表了样本的大部分,而不是来自表面或局部区域,提供了微观信息,比如材料的不同颗粒如何相互作用,”他补充道。

揭示了一系列变形机制

利用该技术首次揭示了高温超导系统在超低温条件下的变形机制序列。研究小组发现,在15开尔文(K)的温度下,蓝冠注册 HEA的变形分为四个阶段。

它开始于位错滑移,这是面心立方材料的一种常见变形机制,其中晶格平面相互滑动。随着位错的持续,叠加断层逐渐活跃并占主导地位,晶格面的叠加序列因变形而发生改变。接着是孪晶,晶格面发生错向,导致母晶体的镜像。最后过渡到锯齿状结构,在锯齿状结构中变形应力振荡较大。

“在材料变形时,观察这些机制是如何发挥作用并相互配合的,这很有趣,”即将毕业的博士生、城市大学物理系高级研究助理穆罕默德纳伊姆(Muhammad Naeem)说。他是这篇论文的第一作者。

在他们的实验中,他们发现HEAs表现出更高更稳定的应变硬化(应变硬化是指材料在变形后变得更强更硬),并且随着温度的降低,其延性变得非常大。基于对现场实验数据的定量分析,他们得出结论,三种观察到的附加变形机制——叠加断层、孪晶和锯齿——以及这些机制之间的相互作用,是这些特殊力学性能的来源。

蓝冠官网: 斯坦福大学的工程师们发明了可以变形、自由漫游的软机器人

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蓝冠官网《Q374919 》一种新型机器人结合了传统和软机器人技术,使其安全而坚固。一旦充气,它就可以改变形状,蓝冠注册 不需要依靠能源或空气就能移动。

软机器人技术的进步可能有一天会让机器人与人类一起工作,帮助他们举起重物或带他们脱离危险。为了实现这一目标,斯坦福大学(Stanford University)的研究人员开发了一种新型软机器人。这种机器人借鉴了传统机器人的特点,既安全又能移动和改变形状。

斯坦福大学(Stanford)机械工程专业的研究生内森·乌塞维奇(Nathan Usevitch)说:“大多数软机器人的一个重大限制是,它们必须连接到一个体积庞大的空气压缩机上,或者要插到墙上,这样就无法移动。”“所以,我们想知道:如果我们一直在机器人内部保持同样数量的空气会怎么样?”

从这个起点开始,研究人员最终制造出了一个能改变形状的人级软机器人,它可以抓取和处理物体,并在可控制的方向上滚动。他们的发明在2020年3月18日发表在《科学机器人》杂志上。

“我对这个机器人的随意描述是《超能陆战队》(Big Hero 6)里的大白和变形金刚的混合体。换句话说,就是一种柔软的、蓝冠官网 对人安全的机器人,混合了可以显著改变形状的机器人。”

许多机器人的组合

这种软软的机器人最简单的版本是一个充气的管子,通过三个小机器把它挤压成三角形。一台机器将管的两端固定在一起;另外两个机器人沿着管道行驶,通过移动机器人的角落来改变机器人的整体形状。研究人员称它为“等周机器人”,蓝冠 因为尽管它的形状会发生巨大变化,但它的边长和里面的空气量保持不变。

等周机器人是软机器人、桁架机器人和集体机器人三种类型机器人的派生。软机器人重量轻且顺从,桁架机器人具有可以改变形状的几何形状,而集体机器人是协同工作的小型机器人,这使得它们在面对单一零件故障时特别强大。

蓝冠: 麻省理工学院开发了可以按需3D打印的软、柔性神经植入物

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蓝冠《Q374919 》这项技术可能使快速、按需设计更柔软、更安全的神经装置成为可能。

大脑是我们最脆弱的器官之一,蓝冠 就像最软的豆腐一样柔软。另一方面,大脑植入物通常由金属和其他刚性材料制成,随着时间的推移,这些材料可能会导致炎症和疤痕组织的积聚。

麻省理工学院的工程师们正致力于开发软的、灵活的神经植入物,这种植入物可以缓慢地符合大脑的轮廓,并在不损害周围组织的情况下长时间监测大脑活动。这种柔性电子产品可能是现有用于监测大脑活动的金属电极的更软的替代品,也可能用于刺激神经区域以缓解癫痫、帕金森氏症和严重抑郁症症状的大脑植入物。

在机械工程、土木与环境工程教授赵宣河的带领下,蓝冠官网 这个研究团队现在已经开发出一种3D打印神经探针和其他电子设备的方法,这些设备像橡胶一样柔软和有弹性。

这种设备是由一种聚合物或软塑料制成的,它是导电的。研究小组将这种通常是液体状的导电聚合物溶液转变成一种更像粘性牙膏的物质——然后他们可以将这种物质注入传统的3D打印机,从而制造出稳定的导电图案。

该团队打印了一些软电子设备,包括一个小的橡胶电极,他们将其植入老鼠的大脑中。当老鼠在受控环境中自由移动时,神经探针能够捕捉到单个神经元的活动。监测这种活动可以为科学家提供更高分辨率的大脑活动图像,并有助于针对各种神经紊乱症定制治疗方案和长期的大脑植入。

“我们希望通过展示这一概念证明,人们可以利用这项技术快速制造不同的设备,”麻省理工学院赵所在小组的研究生Hyunwoo Yuk说。“他们可以改变设计,运行打印代码,并在30分钟内生成新的设计。希望这将简化神经界面的开发,完全由软材料制成。”

Yuk和赵在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究结果。他们的合著者包括江西科技师范大学的陆宝阳和徐景坤,蓝冠注册 以及浙江大学医学院的沈林和罗建红。

从肥皂水到牙膏

导电聚合物是近年来科学家们迫切探索的一类材料,因为它们具有独特的塑料般的柔韧性和金属般的导电性。导电聚合物在商业上被用作抗静电涂料,因为它们能有效地带走电子器件和其他易静电表面上积聚的静电电荷。

Yuk说:“这些聚合物溶液很容易喷洒在触摸屏等电子设备上。”“但液体形式主要用于均匀涂层,很难用于任何二维、高分辨率图案。”在3D中,这是不可能的。”

Yuk和他的同事们推断,如果他们可以开发出一种可打印的导电聚合物,他们就可以用这种材料来打印一系列柔软、图案复杂的电子设备,比如柔性电路和单神经元电极。

在他们的新研究中,研究小组报告了对聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的改性,这是一种导电聚合物,通常以漆黑的深蓝色液体的形式提供。该液体是水和纳米纤维的PEDOT:PSS的混合物。这种液体的导电性来自于这些纳米纤维,当它们接触时,就像一个隧道,任何电荷都可以通过它流动。

如果研究人员将这种聚合物以液体形式注入3D打印机,它会直接流过下面的表面。因此,研究小组寻找一种方法,在保持材料固有导电性的同时,使聚合物增稠。

他们首先对材料进行冷冻干燥,去除液体,留下干燥的纳米纤维基质,或称为海绵。如果不加处理,这些纳米纤维会变得脆弱和断裂。因此,研究人员将纳米纤维与他们之前开发的水溶液和有机溶剂重新混合,形成水凝胶——一种嵌入纳米纤维的水基橡胶材料。

他们用不同浓度的纳米纤维制成了水凝胶,发现每重量5%到8%的纳米纤维可以制造出一种类似牙膏的材料,这种材料具有导电性,并且适合放入3D打印机。

“最初,它就像肥皂水,”赵说。“我们将纳米纤维压缩,使其像牙膏一样粘稠,这样我们就可以将其挤压成一种粘稠的可打印液体。”