Joelhos e cotovelos raspados são lugares difíceis para aplicar uma bandagem com segurança. Mais frequentes do que não, o adesivo irá descascar da pele com apenas algumas dobras da articulação afetada.

Agora, os engenheiros do MIT criaram uma solução mais rígida, na forma de um fino, leve, filme tipo borracha. O filme adesivo pode aderir a regiões altamente deformáveis ​​do corpo, como joelho e cotovelo, e mantém sua fixação mesmo após 100 ciclos de dobra. A chave para a aderência do filme é um padrão de fendas que os pesquisadores cortaram no filme, semelhantes aos cortes feitos em uma forma de arte de dobradura de papel conhecida como kirigami.

Os pesquisadores anexaram o "filme de kirigami" ao joelho de uma voluntária e descobriram que cada vez que ela dobrava o joelho, as fendas do filme se abriram no centro, na região do joelho com a flexão mais pronunciada, enquanto as fendas nas bordas permaneceram fechadas, permitindo que o filme permaneça colado à pele. Os cortes de kirigami dão ao filme não apenas extensão, mas também uma melhor aderência:os cortes que se abrem liberam a tensão que, de outra forma, faria com que o filme inteiro se desprendesse da pele.

Para demonstrar aplicações potenciais, o grupo confeccionou uma bandagem adesiva com padrão kirigami, bem como uma almofada térmica consistindo de um filme de kirigami enfiado com fios de aquecimento. Com a aplicação de uma fonte de alimentação de 3 volts, a almofada mantém uma temperatura constante de 100 graus Fahrenheit. O grupo também desenvolveu um filme eletrônico vestível equipado com diodos emissores de luz. Todos os três filmes podem funcionar e aderir à pele, mesmo depois de 100 flexões de joelho.

Ruike Zhao, um pós-doutorado no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, diz que adesivos com padrão de kirigami podem permitir uma gama completa de produtos, desde curativos médicos do dia-a-dia a aparelhos eletrônicos macios e vestíveis.

"Atualmente no campo da eletrônica suave, a maioria das pessoas conecta dispositivos a regiões com pequenas deformações, mas não em áreas com grandes deformações, como regiões de junta, porque eles iriam se separar, "Ruike diz." Eu acho que o filme de kirigami é uma solução para este problema comumente encontrado em adesivos e eletrônicos leves. "

Ruike é o autor principal de um artigo publicado online este mês na revista Matéria Macia . Seus co-autores são alunos de graduação Shaoting Lin e Hyunwoo Yuk, junto com Xuanhe Zhao, o Professor de Desenvolvimento de Carreira Noyce no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT.

Adesão de uma forma de arte

Em agosto de 2016, Ruike e seus colegas foram abordados por representantes de uma empresa de suprimentos médicos na China, que pediu ao grupo para desenvolver uma versão melhorada de um curativo analgésico popular que a empresa fabrica atualmente.

"Adesivos como essas bandagens são muito comumente usados ​​em nossa vida diária, mas quando você tenta anexá-los a lugares que se encontram grandes, movimento de flexão não homogêneo, como cotovelos e joelhos, eles geralmente se destacam, "Ruike diz." É um grande problema para a empresa, que nos pediram para resolver. "

A equipe considerou o kirigami como uma solução potencial. Originalmente uma arte popular asiática, kirigami é a prática de cortar padrões intrincados em papel e dobrar este papel, muito parecido com origami, para criar bonito, elaboradas estruturas tridimensionais. Mais recentemente, alguns cientistas têm explorado o kirigami como uma forma de desenvolver novos, materiais funcionais.

"Na maioria dos casos, as pessoas fazem cortes em uma estrutura para torná-la esticável, "Ruike diz." Mas somos o primeiro grupo a encontrar, com um estudo sistemático do mecanismo, que um desenho de kirigami pode melhorar a adesão de um material. "

Os pesquisadores fabricaram filmes finos de kirigami derramando um elastômero líquido, ou solução de borracha, em moldes impressos em 3D. Cada molde foi impresso com linhas de ranhuras offset de vários espaçamentos, que os pesquisadores então preencheram com a solução de borracha. Uma vez curado e retirado dos moldes, as finas camadas de elastômero eram cravejadas com fileiras de fendas deslocadas. Os pesquisadores dizem que o filme pode ser feito a partir de uma ampla variedade de materiais, de polímeros macios a folhas de metal duro.

Ruike aplicou uma fina camada adesiva, semelhante ao que é aplicado a bandagens, a cada filme antes de colocá-lo no joelho de um voluntário. Ela notou a capacidade de cada filme de grudar no joelho após dobrar repetidamente, em comparação com um filme de elastômero que não tinha padrões de kirigami. Depois de apenas um ciclo, o plano, filme contínuo se desprende rapidamente, enquanto o filme kirigami manteve seu controle, mesmo depois de 100 flexões de joelho.

Um equilíbrio em design

Para descobrir por que os cortes kirigami aumentam as propriedades adesivas de um material, os pesquisadores primeiro ligaram um filme de kirigami a uma superfície de polímero, em seguida, submeteu o material a testes de alongamento. Eles mediram a quantidade de estiramento que um filme de kirigami pode sofrer antes de se desprender da superfície do polímero - uma medida que usaram para calcular a "taxa de liberação de energia crítica do material, "uma quantidade para avaliar o desprendimento.

Eles descobriram que essa taxa de liberação de energia variava ao longo de um único filme:quando puxavam o filme de cada extremidade como um acordeão, as fendas no meio exibiram uma taxa de liberação de energia mais alta e foram as primeiras a se abrir sob menos extensão. Em contraste, as fendas em cada extremidade do filme continuaram a aderir à superfície subjacente e permaneceram fechadas.

Por meio desses experimentos, Ruike identificou três parâmetros principais que conferem aos filmes de kirigami suas propriedades adesivas:cisalhamento, em que a deformação por cisalhamento do filme pode reduzir a tensão em outras partes do filme; descolagem parcial, em que os segmentos de filme em torno de uma fenda aberta mantêm uma ligação parcial à superfície subjacente; e deformação não homogênea, em que um filme pode manter sua adesão geral, mesmo quando partes de sua superfície subjacente podem dobrar e esticar mais do que outras.

Dependendo da aplicação, Ruike diz que os pesquisadores podem usar as descobertas da equipe como um projeto para identificar o melhor padrão de corte e o equilíbrio ideal dos três parâmetros, para um determinado aplicativo.

"Esses três parâmetros ajudarão a orientar o design de soft, materiais avançados, "Ruike diz." Você sempre pode criar outros padrões, assim como a arte popular. Existem tantas soluções em que podemos pensar. Basta seguir as orientações mecânicas para um design otimizado, e você pode conseguir muitas coisas. "

Ruike e seus colegas registraram uma patente de sua técnica e continuam a colaborar com a empresa de suprimentos médicos, que atualmente está fazendo planos para fabricar adesivos de remédios feitos de filmes de kirigami.

"Eles fazem este penso analgésico que é muito popular na China - até meus pais o usam, "Ruike diz." Então é super empolgante. "

A equipe está agora explorando outros materiais nos quais padronizar os cortes de kirigami.

"Os filmes atuais são puramente elastômeros, "Ruike diz." Queremos mudar o material do filme para géis, que pode difundir o medicamento diretamente na pele. Essa é a nossa próxima etapa. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.