《ACS Nano》水凝膠3D打印實(shí)現(xiàn)仿生軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)

來源：國際仿生工程學(xué)會(huì)

水凝膠材料有著本征的力學(xué)柔軟特性，此外它的種類豐富性也帶來了許多類似于生物有機(jī)體的獨(dú)特性質(zhì)，如可延展性、生物兼容性、可滲透性，以及對(duì)外界刺激的響應(yīng)能力。這些優(yōu)異的綜合性能讓水凝膠材料成為了熱門的仿生軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)原材料，并且取得了一系列的進(jìn)展。當(dāng)前基于水凝膠的軟體機(jī)器人研究中，仍然存在兩個(gè)亟需克服的限制因素：一是水凝膠材料普遍的低力學(xué)強(qiáng)度，限制了實(shí)際應(yīng)用中的可靠性；另外，水凝膠軟體機(jī)器人依賴于模具設(shè)計(jì)制備，繁瑣且難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的3D構(gòu)型。因此，發(fā)展一種簡(jiǎn)單通用的設(shè)計(jì)策略來實(shí)現(xiàn)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及力學(xué)可靠性的仿生軟體機(jī)器人具有重要的意義。

基于以上研究背景，新加坡國立大學(xué)的Ghim Wei Ho教授課題組開發(fā)了一種基于水凝膠3D打印的仿生軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)策略。通過利用具有良好生物兼容性的海藻酸鈉作為高效流變性能調(diào)節(jié)劑，實(shí)現(xiàn)了一系列的化學(xué)交聯(lián)以及物理交聯(lián)水凝膠材料直接3D打印設(shè)計(jì)成型。海藻酸鈉的本征親水網(wǎng)絡(luò)使得主體水凝膠能夠保留本身的優(yōu)異性能，同時(shí)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還顯著增強(qiáng)了打印成型后軟體機(jī)器人的力學(xué)韌性。利用這種方法，該課題組實(shí)現(xiàn)了基于不同特性水凝膠材料的仿生軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)，此項(xiàng)工作的設(shè)計(jì)理念如圖1所示。

圖1.基于水凝膠3D打印的仿生軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)理念。a.所選用物理交聯(lián)或化學(xué)交聯(lián)型水凝膠單體溶液及其流變特性。b.海藻酸鈉調(diào)控后可打印水凝膠材料及其流變特性。c.直接擠出式3D打印實(shí)現(xiàn)水凝膠材料3D復(fù)雜構(gòu)型。d.結(jié)合水凝膠結(jié)構(gòu)及性能實(shí)現(xiàn)仿生軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)。

為了對(duì)所開發(fā)的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行概念驗(yàn)證與展示，該課題組設(shè)計(jì)了基于不同水凝膠材料的三種仿生軟體機(jī)器人，包括基于聚丙烯酰胺（PAM）的三維可轉(zhuǎn)動(dòng)觸須、基于聚乙烯醇（PVA）的可跳動(dòng)及物質(zhì)傳輸仿生心臟、以及基于聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）的向光性仿生植物藤蔓。仿生觸須利用了PAM的力學(xué)可拉伸性，通過設(shè)計(jì)對(duì)稱式四通道，實(shí)現(xiàn)了液壓控制的三維自由旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，如圖2所示。

圖2.基于PAM的液壓控制三維可轉(zhuǎn)動(dòng)觸須

仿生心臟利用了PVA的力學(xué)柔性、溶質(zhì)可滲透性以及生物兼容性，通過設(shè)計(jì)內(nèi)置腔體以及外表面血管結(jié)構(gòu)微通道，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)式心跳動(dòng)作以及生物質(zhì)（葡萄糖與氯離子）交換傳輸，如圖3及圖4所示。

圖3.基于PVA的氣動(dòng)式仿生心臟跳動(dòng)

圖4.基于PVA的仿生心臟生物質(zhì)交換傳輸。a.3D打印血管狀微通道的生物質(zhì)交換傳輸測(cè)試示意圖。b.生物質(zhì)（葡萄糖與氯離子）流經(jīng)血管狀微通道時(shí)與外界液體環(huán)境的擴(kuò)散濃度交換。

仿生植物藤蔓則利用了PNIPAM的可延展性及熱響應(yīng)特性，通過3D打印設(shè)計(jì)了對(duì)稱及非對(duì)稱的分段式纖維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了類似于植物藤蔓的光響應(yīng)回旋動(dòng)作以及彎曲固定動(dòng)作，如圖5及圖6所示。

圖5.基于PNIPAM的仿生藤蔓的向光性回旋運(yùn)動(dòng)

圖6.基于PNIPAM的仿生藤蔓的向光性彎曲與固定動(dòng)作

以上工作以《Direct-Ink-Write 3D Printing of Hydrogels into Biomimetic Soft Robots》為題在線發(fā)表于綜合性期刊ACS NANO。論文第一作者為程蔭博士，通訊作者為Ghim Wei Ho教授，通訊單位為新加坡國立大學(xué)。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06144