Las rodillas y los codos raspados son lugares difíciles para aplicar un vendaje de forma segura. Más a menudo que no, el adhesivo se despegará de la piel con solo unas pocas curvas de la articulación afectada.

Ahora, los ingenieros del MIT han ideado una solución más rigurosa, en forma de delgado, ligero, película similar a la goma. La película adhesiva puede adherirse a regiones del cuerpo altamente deformables, como la rodilla y el codo, y mantiene su agarre incluso después de 100 ciclos de plegado. La clave de la adherencia de la película es un patrón de rendijas que los investigadores han cortado en la película, similar a los cortes hechos en una forma de arte de plegado de papel conocida como kirigami.

Los investigadores colocaron la "película de kirigami" en la rodilla de un voluntario y descubrieron que cada vez que doblaba la rodilla, las ranuras de la película se abrieron en el centro, en la región de la rodilla con la flexión más pronunciada, mientras las hendiduras de los bordes permanecieron cerradas, permitiendo que la película permanezca adherida a la piel. Los cortes de kirigami le dan a la película no solo estiramiento, pero también mejor agarre:los cortes que se abren liberan la tensión que de otro modo haría que toda la película se despegara de la piel.

Para demostrar aplicaciones potenciales, el grupo fabricó un vendaje adhesivo con patrón de kirigami, así como una almohadilla térmica que consiste en una película de kirigami enhebrada con cables calefactores. Con la aplicación de una fuente de alimentación de 3 voltios, la almohadilla mantiene una temperatura constante de 100 grados Fahrenheit. El grupo también ha diseñado una película electrónica portátil equipada con diodos emisores de luz. Las tres películas pueden funcionar y pegarse a la piel, incluso después de 100 flexiones de rodilla.

Ruike Zhao, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, dice que los adhesivos con patrón de kirigami pueden permitir una amplia gama de productos, desde vendajes médicos de uso diario hasta dispositivos electrónicos portátiles y blandos.

"Actualmente en el campo de la electrónica blanda, la gente suele colocar dispositivos en regiones con pequeñas deformaciones, pero no en áreas con grandes deformaciones como regiones de articulaciones, porque se despegarían, ", Dice Ruike." Creo que la película kirigami es una solución a este problema que se encuentra comúnmente en los adhesivos y la electrónica blanda ".

Ruike es el autor principal de un artículo publicado en línea este mes en la revista. Materia blanda . Sus coautores son los estudiantes graduados Shaoting Lin y Hyunwoo Yuk, junto con Xuanhe Zhao, el profesor de desarrollo de carrera de Noyce en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

Adhesión de una forma de arte

En agosto de 2016, Ruike y sus colegas fueron abordados por representantes de una empresa de suministros médicos en China, quien pidió al grupo que desarrollara una versión mejorada de un popular vendaje para aliviar el dolor que la compañía fabrica actualmente.

"Los adhesivos como estos vendajes se utilizan con mucha frecuencia en nuestra vida diaria, pero cuando intentas adjuntarlos a lugares que se encuentran grandes, movimiento de flexión no homogéneo, como codos y rodillas, suelen desprenderse, ", Dice Ruike." Es un gran problema para la empresa, que nos pidieron que resolviéramos ".

El equipo consideró a kirigami como una posible solución. Originalmente un arte popular asiático, kirigami es la práctica de cortar patrones intrincados en papel y doblar este papel, muy parecido al origami, para crear bello, elaboradas estructuras tridimensionales. Más recientemente, algunos científicos han estado explorando el kirigami como una forma de desarrollar nuevos materiales funcionales.

"En la mayoría de los casos, la gente hace cortes en una estructura para que se estire, "Dice Ruike." Pero somos el primer grupo en encontrar, con un estudio de mecanismo sistemático, que un diseño de kirigami puede mejorar la adherencia de un material ".

Los investigadores fabricaron películas delgadas de kirigami vertiendo un elastómero líquido, o solución de goma, en moldes impresos en 3D. Cada molde se imprimió con filas de ranuras compensadas de varios espaciamientos, que luego los investigadores llenaron con la solución de caucho. Una vez curado y extraído de los moldes, las delgadas capas de elastómero estaban tachonadas con filas de ranuras desplazadas. Los investigadores dicen que la película se puede hacer con una amplia gama de materiales, desde polímeros blandos hasta láminas de metal duro.

Ruike aplicó una fina capa adhesiva, similar a lo que se aplica a los vendajes, a cada película antes de pegarla a la rodilla de un voluntario. Ella tomó nota de la capacidad de cada película para pegarse a la rodilla después de doblarse repetidamente, en comparación con una película de elastómero que no tenía patrones de kirigami. Después de solo un ciclo, el avion, película continua rápidamente desprendida, mientras que la película de kirigami se mantuvo firme, incluso después de 100 flexiones de rodilla.

Un equilibrio en el diseño

Para averiguar por qué los cortes kirigami mejoran las propiedades adhesivas de un material, los investigadores primero unieron una película de kirigami a una superficie de polímero, luego sometió el material a pruebas de estiramiento. Midieron la cantidad de estiramiento que puede sufrir una película de kirigami antes de desprenderse de la superficie del polímero, una medida que usaron para calcular la "tasa de liberación de energía crítica del material". "una cantidad para evaluar el desprendimiento.

Descubrieron que esta tasa de liberación de energía variaba a lo largo de una sola película:cuando tiraban de la película de cualquier extremo como un acordeón, las hendiduras hacia el medio exhibieron una mayor tasa de liberación de energía y fueron las primeras en abrirse con menos estiramiento. A diferencia de, las hendiduras en cada extremo de la película continuaron adhiriéndose a la superficie subyacente y permanecieron cerradas.

A través de estos experimentos, Ruike identificó tres parámetros principales que dan a las películas de kirigami sus propiedades adhesivas:en el que la deformación por cizallamiento de la película puede reducir la tensión en otras partes de la película; desunión parcial, en el que los segmentos de película alrededor de una hendidura abierta mantienen una unión parcial a la superficie subyacente; y deformación no homogénea, en el que una película puede mantener su adherencia general, incluso cuando partes de su superficie subyacente pueden doblarse y estirarse más que otras.

Dependiendo de la aplicación, Ruike dice que los investigadores pueden usar los hallazgos del equipo como un plan de diseño para identificar el mejor patrón de cortes y el equilibrio óptimo de los tres parámetros. para una aplicación determinada.

"Estos tres parámetros ayudarán a guiar el diseño de soft, materiales avanzados, "Dice Ruike." Siempre puedes diseñar otros patrones, como el arte popular. Hay tantas soluciones en las que podemos pensar. Simplemente siga la guía mecánica para un diseño optimizado, y puedes lograr muchas cosas ".

Ruike y sus colegas han presentado una patente sobre su técnica y continúan colaborando con la empresa de suministros médicos. que actualmente está haciendo planes para fabricar parches medicinales a partir de películas de kirigami.

"Hacen esta almohadilla para aliviar el dolor que es muy popular en China, incluso mis padres la usan, "Dice Ruike." Así que es súper emocionante ".

El equipo ahora se está diversificando para explorar otros materiales sobre los cuales modelar cortes de kirigami.

"Las películas actuales son puramente elastómeros, "Dice Ruike." Queremos cambiar el material de la película a geles, que puede difundir directamente el medicamento en la piel. Ese es nuestro próximo paso ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.