剛軟介面設計在拉伸條件下進行了測試。 a 標準拉伸試樣具有連線硬相和軟聚合物相的功能梯度（平面外厚度 = 4 mm），作為硬相體積分數 （p） 的線性函式。 b 所有函式均具有不同的功能梯度寬度（wg）及其計算的軟硬正常接觸面積（ac）百分比。我們將三種不同的梯度長度值 （WG） 與五種不同的晶胞幾何形狀（即八位細胞、菱形、陀螺體、膠原狀螺旋和隨機分布的顆粒）相結合。 *nature communications （2023）。doi： 10.1038/s41467-023-43422-9
大多數人都會遇到膝上型電腦充電器在柔性電纜與實心介面卡相接處斷裂的情況。 這只是有效連線硬質和軟質材料有多麼困難的乙個例子。 代爾夫特理工大學的研究人員使用獨特的3D列印工藝，生產了一種混合多材料介面，該介面與自然界中骨肌腱連線處的設計非常相似。 他們的研究結果最近發表在《自然通訊》上，具有許多潛在的應用。
雖然骨骼和肌腱之間的硬度差異很大，但它們在人體中的交集永遠不會失敗。 正是這種骨肌腱連線激發了機械、海洋和材料工程學院（3ME）的一組研究人員探索優化人造材料的硬介面和軟介面的方法。
每當兩種連線的材料之間不匹配時，就會導致應力集中，生物材料和組織生物力學教授Amir Zadpoor解釋說。 這意味著機械應力到達連線點，通常會導致較軟的材料失效。 在自然界中可以看到的一件事是介面處屬性的逐漸變化。
硬質材料不會突然變成軟質材料，“Zadpoor說。 “它逐漸變化，從而消除了壓力集中。 考慮到這一點，研究人員使用不同的幾何形狀和多材料3D列印技術來增加硬介面和軟介面之間的接觸面積，從而模仿自然界的設計。
另乙個設計考慮因素是，軟材料在失效前比硬材料承受的力要小。 “只有使介面與軟材料一樣堅固才有意義，因為如果它更堅固，軟材料無論如何都會失效，這就是你理論的極限，”手稿的第一作者毛裡西奧·克魯茲·薩爾迪瓦博士說。
與對照組相比，研究人員能夠將介面的韌性值提高50%。 據該團隊稱，接近理論上可能的極限是這項研究的主要貢獻之一。 但該研究還產生了一套設計指南，用於改善仿生軟剛介面的機械效能，這些原則普遍適用。
整個產品一氣呵成。
該團隊開發的技術也可以一次製造整個產品。 這一點很重要，因為具有各種材料的產品通常被粘合劑粘附。 零件可以像汽車或航空航天應用一樣進行組裝或機械連線。
但我們正在努力做的是消除所涉及的額外步驟，並一次性完成，“助理教授Zjenja Doubrovski說。 “這使我們能夠組合更多奇特的材料，例如，阻尼效能比更強的材料。 這種組合允許更高的適用範圍。
這項技術可以做很多事情。 潛在應用包括醫療裝置、軟機械人和柔性裝置。 但該團隊還旨在探索與活細胞的介面，以實現諸如將植入物連線到周圍軟組織等程式。
最終，我們希望再生骨骼以及骨骼和肌肉之間的連線，“助理教授Mohammad J說公尺爾扎利說。 “這意味著將活細胞整合到這個介面中，這將增加結構的多層複雜性。 最終，這項工作的結果為一系列未來的研究開啟了大門。
更多資訊： m c.Saldívar 等人，雙材料 3D 列印硬軟介面的生理設計，Nature Communications （2023）。 doi： 10.1038/s41467-023-43422-9