In het magazine Science Advances demonstreren de onderzoekers het systeem met actuatoren die verschillende afbeeldingen laten zien als ze onder verschillende hoeken staan. Eén afbeelding toont bijvoorbeeld een zelfportret van Vincent van Gogh als de actuatoren liggen. Worden ze geactiveerd, dan verschijnt De Schreeuw van Edvard Munch. De onderzoekers hebben ook drijvende waterlelies ge-3D-print waarvan de bloemblaadjes zijn uitgerust met een serie actuatoren en scharnieren die zorgen dat ze open en dicht gaan in reactie op magnetische velden die door geleidende vloeistoffen lopen.

De actuatoren zijn gemaakt van drie verschillende materialen, elk met een eigen kleur en een andere eigenschap - zoals flexibiliteit en magnetisatie - die de hoek van de actuator regelt in reactie op een besturingssignaal. Software splitst eerst het ontwerp op in miljoenen voxels (3D pixels). Vervolgens worden miljoenen simulaties uitgevoerd, waarbij de voxels worden gevuld met verschillende materialen. Uiteindelijk kiest het systeem de materiaal-voxelcombinaties die de twee verschillende afbeeldingen optimaal weergeven. Een aangepaste 3D-printer maakt vervolgens de actuatoren door het juiste materiaal laag voor laag in de juiste voxel te laten vallen.

"Ons uiteindelijke doel is om automatisch een optimaal ontwerp te vinden voor elk probleem en dit vervolgens te fabriceren," zegt eerste auteur Subramanian Sundaram. "Het selecteren van de materialen, het vinden van het optimale ontwerp, en het fabriceren van het eindproduct moet dan zo goed als automatisch gaan."

De veranderende ‘schilderijen' tonen aan wat het systeem vermag, maar zijn natuurlijk niet het doel van de MIT-ers. Hetzelfde systeem kan bijvoorbeeld ook worden gebruikt voor biomimicry in robotica. Collega-onderzoekers ontwerpen momenteel onderwaterrobothuiden met actuatormatrices die bedoeld zijn om de ‘schubben' op

haaienhuid na te bootsen. Deze uitstulpingen vervormen gezamenlijk om de weerstand te verminderen en daardoor sneller, stiller zwemmen. "Je kunt je voorstellen dat de huid van onderwaterrobots straks is gecoat met reeksen actuatoren die zijn geoptimaliseerd voor verschillende bewegingen," zegt Sundaram.

Enorm veel combinaties
Robotactuatoren worden steeds complexer. Afhankelijk van de toepassing moeten ze worden geoptimaliseerd voor gewicht, efficiëntie, uiterlijk, flexibiliteit, stroomverbruik en verschillende andere functies en prestaties. Over het algemeen berekenen experts handmatig al die parameters om een optimaal ontwerp te vinden. Dit wordt nog complexer, doordat nieuwe 3D-printtechnieken één product kunnen maken uit meerdere materialen. Dat betekent dat de dimensionaliteit van het ontwerp ongelooflijk hoog wordt. "Daardoor heb je zoveel mogelijke combinaties van materialen en eigenschappen dat het niet eens meer mogelijk is om elke combinatie te evalueren om een optimale structuur te creëren," zegt Sundaram.

In hun werk zochten de onderzoekers eerst drie polymeermaterialen met de kleur, magnetisatie en stijfheid die ze nodig hadden voor hun actuatoren. Dat werden een bijna transparant stijf materiaal, een ondoorzichtig flexibel materiaal dat als scharnier werd gebruikt, en een bruin nanodeeltjesmateriaal dat op een magnetisch signaal reageert. Ze stopten al die karakteristieken in een eigenschappenbibliotheek. Het systeem gebruikt de grijswaarden van afbeeldingen als uitgangspunt.

Om het uiterlijk bij elke iteratie te berekenen, hebben de onderzoekers de grafische computertechniek 'ray-tracing' gebruikt, die de uitvalhoek van licht op objecten simuleert. De gesimuleerde lichtstralen schieten bij elke voxelkolom door de actuator en kunnen actuatoren doorrekenen met meer dan 100 voxellagen.

Voor de productie bouwden de onderzoekers een ‘drop-on-demand' 3D-printer. Containers met de drie basismaterialen zijn verbonden met printkoppen met honderden nozzles die individueel kunnen worden bediend. De printer vuurt een druppel van 30 micron van het aangewezen materiaal af naar in de betreffende voxel. Zodra de druppel op het substraat landt, stolt hij. Op die manier bouwt de printer een object, laag voor laag.

"Het onderzoek kan worden gebruikt als een opstapje voor het ontwerpen van grotere structuren, zoals vliegtuigvleugels", zegt Sundaram. Onderzoekers zijn bijvoorbeeld op dezelfde manier begonnen met het afbreken van vliegtuigvleugels in kleinere voxelachtige blokken om hun ontwerpen te optimaliseren voor gewicht en lift, en andere statistieken. "We kunnen nog geen vleugels of andere grote objecten printen, en kunnen ook nog niet alle materialen gebuiken. Maar ik denk dat dit een eerste stap is in de richting van dat doel."

Onderzoekers zoeken al jaren naar dit soort films die kunnen dienen om energie te oogsten, als gevoelige druksensoren voor touch screens en voor andere componenten in flexibele elektronica. Ze zijn ook geschikt voor biosensoren, die gevoelig genoeg moeten zijn om de aanwezigheid van moleculen te detecteren.

Men gebruikt hiervoor vaak keramiek met een kristalstructuur die door zijn extreme dunheid resoneert bij hoge frequenties. (Hogere frequenties vertalen zich in principe naar hogere snelheden en hogere gevoeligheid.) Maar met traditionele fabricagetechnieken is het creëren van dergelijke films complex en duur.

In de paper die onlangs is gepubliceerd in Applied Materials and Interfaces, beschrijven de onderzoekers een manier om 3D-transducers van ongeveer 100 nanometer dik te 3D-printen. Ze hebben hiertoe een 3D-printtechniek aangepast die objecten laag voor laag opbouwt bij kamertemperatuur. De films kunnen zonder prestatieverlies worden afgedrukt op flexibele substraten en resoneren bij ongeveer 5 gigahertz, wat hoog genoeg is voor hoogwaardige biosensoren.

Ze gebruikten de 3D-printtechniek near-field electrohydrodynamic deposition (NFEHD), die een sterk elektrisch veld gebruikt om een vloeistofstraal door een mondstuk te spuiten om een ultradunne film af te drukken. Het is voor het eerst dat deze techniek wordt gebruikt voor films met piëzo-elektrische eigenschappen.

De vloeibare grondstof bevat nanodeeltjes van zinkoxide gemengd met enkele inerte oplosmiddelen, die een piëzo-elektrisch materiaal vormen wanneer ze op een substraat worden afgedrukt en gedroogd. De grondstof wordt middels een holle naald in de 3D-printer gevoerd. Tijdens het printen, passen de onderzoekers een specifieke voorspanning toe op de punt van de naald en regelen ze de stroomsnelheid, waardoor de meniscus - de curve gezien aan de bovenkant van een vloeistof - een kegelvorm vormt die voor een fijne straal zorgt. 

De vloeibare grondstof bevat nanodeeltjes van zinkoxide gemengd met enkele inerte oplosmiddelen, die een piëzo-elektrisch materiaal vormen wanneer ze op een substraat worden afgedrukt en gedroogd. De grondstof wordt middels een holle naald in de 3D-printer gevoerd. Tijdens het printen, passen de onderzoekers een specifieke voorspanning toe op de punt van de naald en regelen ze de stroomsnelheid, waardoor de meniscus - de curve gezien aan de bovenkant van een vloeistof - een kegelvorm vormt die voor een fijne straal zorgt.

Deze straal is van nature geneigd om in druppels op te breken. Maar als de punt van de naald dicht bij het substraat wordt gebracht - ongeveer en millimeter - breekt de straal niet, maar print hij lange, smalle lijnen op het substraat. De onderzoekers zorgen vervolgens dat de lijnen overlappen en drogen ze op ongeveer 76 graden Fahrenheit, ondersteboven hangend.

Het proces werkt alleen als het exact op deze manier wordt uitgevoerd. Maar dan leidt het ook tot veel betere resultaten dan de bulk-films die tot nu toe worden gemaakt.

Lees meer over Piëzo-elektrische films op:
PUBS

In tests hebben de onderzoekers de supercondensator verbonden met een zonnecel, wat leidde tot een wasbare, zelfvoedende en volgens het team efficiënte slimme stof die de belangrijkste nadelen van bestaande energieopslagtechnologieën voor e-textiel overwint.

De groeiende slimme-stoffen-industrie heeft uiteenlopende toepassingen voor de consument, de gezondheidszorg en defensie, van het bewaken van vitale functies van patiënten tot het monitoren van de locatie en de gezondheidstoestand van soldaten en het controleren van piloten of chauffeurs op tekenen van vermoeidheid.

Onderzoeker Litty Thekkakara vindt dat slim textiel robuust en betrouwbaar moet zijn.

"Het is niet voldoende om batterijen in kleding te steken of e-vezels te gebruiken, omdat het vaak omslachtig is, zwaar, en omdat ze capaciteitsproblemen kunnen hebben. Deze elektronische componenten kunnen bovendien kortsluiting 

Lees meer over Supercondensator van grafeen op:
Nature.com

"Het is niet voldoende om batterijen in kleding te steken of e-vezels te gebruiken, omdat het vaak omslachtig is, zwaar, en omdat ze capaciteitsproblemen kunnen hebben. Deze elektronische componenten kunnen bovendien kortsluiting en mechanische storingen vertonen wanneer ze in contact komen met zweet of vocht uit de omgeving. Onze op grafeen gebaseerde supercondensator is niet alleen volledig wasbaar, hij kan ook voldoende energie opslaan om een intelligent kledingstuk aan te drijven - en het materiaal kan in minuten op grote schaal worden gemaakt."

De onderzoekers hebben een patent aangevraagd voor de nieuwe technologie, die is ontwikkeld met steun van RMIT Seed Fund en Design Hub-projectsubsidies.

Zoals voorspeld in de wet van Moore, is de industrie er tot nu toe in geslaagd om elke 2 jaar 2 keer zoveel transistors op siliciumchips te proppen en daarmee steeds complexere berekeningen uit te voeren. Experts menen echter dat de transistoren het einde van hun houdbaarheid naderen en steeds inefficiënter zullen worden.

Het maken van koolstof nanobuisveldeffecttransistoren (CNFET) is daarom een belangrijk doel geworden voor bouwers van computers van de volgende generatie. Volgens onderzoek hebben CNFETs eigenschappen die ongeveer 10 keer de energie-efficiëntie en veel hogere snelheden beloven dan haalbaar is met silicium. Maar wanneer ze op schaal worden gefabriceerd, hebben de transistors tot nu toe defecten die de prestaties beïnvloeden.

De MIT-onderzoekers hebben nieuwe technieken bedacht om deze defecten te beperken en volledige functionele controle mogelijk te maken bij het fabriceren van CNFET's, met behulp van processen in traditionele siliciumchipgieterijen. 

Lees meer over Supercondensator van grafeen op:
Engineersonline.nl en Nature.com

Ze demonstreerden een 16-bit microprocessor met meer dan 14.000 CNFET's die dezelfde taken uitvoeren als commerciële microprocessors. Het Nature-artikel beschrijft het ontwerp van de microprocessor en bevat meer dan 70 pagina's met details over de productiemethode.

De microprocessor is gebaseerd op de RISC-V open-source chiparchitectuur die een set instructies heeft die een microprocessor kan uitvoeren. De nieuwe microprocessor kon de volledige set nauwkeurig uitvoeren, alsmede een aangepaste versie van het klassieke programma ‘Hallo, wereld!'.

"Dit is veruit de meest geavanceerde chip van elke veelbelovende opkomende nanotechnologie voor high-performance en energiezuinig computergebruik", zegt co-auteur Max Shulaker.

Weinig materialen zijn zo teer als een vlindervleugel. Toch doen de kunstmatige Koreaanse vlinders er echt wel aan denken. De actuator is dan ook slechts een paar atomen dik. Het gebruikte materiaal is MXene, dat bestaat uit titanium en carbon.

MXene is niet flexibel van zichzelf. In het begin van de ontwikkeling bladderde de actuator dan ook af wanneer deze werd gebogen. Dat veranderde toen de onderzoekers het ionisch verknoopten met een synthetische polymeer. De combinatie van materialen maakt de actuator flexibel, met behoud van zijn sterkte en geleidbaarheid, wat cruciaal is voor bewegingen aangedreven door elektriciteit.

Zodra er een elektrisch stroompje door het materiaal wordt gestuurd, zorgt het ladingsverschil in het materiaal dat er meer ruimte komt tussen de titanium-koolstoflagen aan de kant van de kathode. De ene zijde van het materiaal wordt daardoor dikker dan de andere, waardoor het omkrult. Als de stroom stopt, buigt het terug. 

Zo wordt een op- en neergaande beweging gecreëerd.

De nieuwe actuator is niet alleen zeer dun en flexibel, hij reageert ook snel. Tijdens de tests reageerde het materiaal binnen een seconde als er stroom op werd gezet en kon het vijf uur lang continu in beweging blijven. Dit op slechts 0,1 tot 1 volt.