Science子刊：3D打印可自主排汗的水凝膠致動器

來源： EngineeringForLife

很多哺乳動物具有通過排汗和蒸發(fā)冷卻降低體溫的能力，使得其在劇烈運(yùn)動期間具有更大的耐力；來自康奈爾大學(xué)的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種能動態(tài)調(diào)控孔隙來進(jìn)行溫控的軟體機(jī)器人。

在機(jī)械系統(tǒng)中，存儲的能量到有用功的轉(zhuǎn)換永遠(yuǎn)不會完全有效，并且熱量會散發(fā)到系統(tǒng)中。過多熱量產(chǎn)生的不利影響很多，包括熱膨脹，溫度梯度引起的應(yīng)力或電路中電子遷移率的變化等。新興的軟機(jī)器人領(lǐng)域通過連續(xù)性驅(qū)動提供動物般的運(yùn)動，并通過順應(yīng)性材料與環(huán)境進(jìn)行共形相互作用，這些致動系統(tǒng)釋放了大量的熱量，但很少有軟機(jī)器人具有專門的冷卻功能。軟機(jī)器人是通過控制應(yīng)變差來控制致動器運(yùn)動，而形狀和剛度因熱波動而變化會威脅到這些設(shè)備的可靠性和精度。因此，發(fā)展具有自主熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)的軟機(jī)器人技術(shù)至關(guān)重要。

近期發(fā)表在Science Robotics雜志上題為“Autonomic perspirationin 3D-printed hydrogel actuators”的文章，來自康奈爾大學(xué)的Robert F. Shepherd團(tuán)隊(duì)及其合作者報(bào)道了一種利用混合水凝膠油墨3D打印制造的軟體致動器，它的創(chuàng)新點(diǎn)在于可通過致動器上的動態(tài)孔自主的局部出汗進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

研究者選擇開發(fā)兩種水凝膠油墨：一種由Aam單體組成，另一種由NIPAm和AAm單體組成（摩爾比為3：1）的共聚油墨，同時(shí)還將氧化鐵和二氧化硅納米粒子摻入了油墨配方中，以減少構(gòu)建時(shí)間并增加致動器的機(jī)械完整性。

圖1材料設(shè)計(jì)和SLA 3D打印的執(zhí)行器（A）使用核黃素光引發(fā)劑，三乙醇胺助引發(fā)劑和MBA作為交聯(lián)劑，在磺酸鹽改性的SiO2和Fe3O4存在下，通過Aam和NIPAm的光聚合來化學(xué)合成離子水凝膠。（B）具有替換機(jī)制的SLA 3D打印機(jī)的簡化架構(gòu)以及執(zhí)行器的分解圖，該圖構(gòu)成了多材料層；粉色代表PAAm，棕色代表PNIPAm，h代表PAAm和PNIPAm體的高度。（C）具有高表面積和多種材料設(shè)計(jì)的3D打印執(zhí)行器。（C1）具有孔設(shè)計(jì)，織構(gòu)和應(yīng)變限制層的執(zhí)行器。（C2）顯示汗水的動畫模型。（C3）3D打印的執(zhí)行器，類似于動畫模型。

研究者利用光固化技術(shù)在水凝膠中打印了微米級的孔，以促進(jìn)汗液快速冷卻。與在給定壓力下以恒定流量排汗的靜態(tài)孔不同，這樣的孔由于水凝膠響應(yīng)于局部溫度而膨脹或收縮而改變了橫截面積。這種行為不僅是收縮孔以最小化液壓致動過程中壓力損失所必需的，而且還增加了發(fā)生升溫的地方的排汗速率，類似于哺乳動物的局部汗癥。

通過直接制造出使致動器的內(nèi)部流體通道通氣的圓形孔來模仿人類皮膚中的出汗機(jī)制。然而，如果孔太大，則驅(qū)動這種流體彈性體致動器的壓力梯度將無法發(fā)展并使該裝置失效。因此，最佳孔在低溫下將足夠小以允許加壓，而在高溫下將充分膨脹以允許冷卻。

圖2孔徑，體積變化和彎曲特性（A）具有不同直徑和溫度的PAAm / PNIPAm樣品的孔徑變化（陰影區(qū)域?yàn)镾D；N = 7）。（B）在不同溫度和時(shí)間下執(zhí)行器的體積變化。（C）氣動水凝膠致動器，以達(dá)到最大彎曲角度。（D）彎曲角度與輸入量的關(guān)系，執(zhí)行器在水和空氣中使用不同的執(zhí)行器設(shè)計(jì)進(jìn)行了測試（誤差線標(biāo)記為SD；N = 3；陰影區(qū)域表示SE的最佳配合）。

為了量化人工出汗的手的體溫調(diào)節(jié)能力，我們將五個(gè)這樣的印刷致動器安裝在剛性手掌上，在強(qiáng)制對流下，發(fā)汗的致動器在0到0.6 min之間的冷卻時(shí)間比不發(fā)汗的致動器快大約600％。

圖3 出汗實(shí)驗(yàn)。（A）3D打印的手：液壓控制的手指組裝在掌底盤中。（B）使用熱像儀的液壓驅(qū)動手和執(zhí)行器的溫度變化。（B1）在強(qiáng)制對流下手出汗期間記錄的溫度。（B2）在強(qiáng)制對流作用下單個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出汗過程中記錄的溫度。（B3）在自由對流下在執(zhí)行機(jī)構(gòu)排汗期間記錄的溫度。（C）在不同對流模式下有孔和無孔的出汗試驗(yàn)比較（陰影區(qū)域?yàn)镾D；N = 3）。

被動適應(yīng)不規(guī)則形狀而不會給易碎物體施加較大壓力的能力是軟機(jī)器人抓手的主要優(yōu)點(diǎn)。該出汗執(zhí)行器制造的機(jī)械手也具有這種基本能力，而且與以前的軟機(jī)器人不同，這種出汗的執(zhí)行器還可以控制所持物體的溫度。例如，液壓致動的三指操縱器從浴槽內(nèi)取出熱的空飲料罐。當(dāng)接觸加熱的物體時(shí)，集成的夾具會從執(zhí)行器內(nèi)部流汗，從而冷卻表面（自由對流）。

圖4不同熱容物體的抓握和物體冷卻測試。（A）垂直狀態(tài)下在熱水中抓取金屬物體。（B）抓握不規(guī)則的軟泡沫。（C）使用三點(diǎn)夾具抓取圓柱形金屬物體。（在報(bào)告的熱圖像中，溫度標(biāo)尺隨時(shí)間變化。此外，僅根據(jù)對象的形狀使用定制的多邊形來測量對象的表面溫度。）

除溫度調(diào)節(jié)外，發(fā)汗執(zhí)行器還可提供其他有益功能。動物利用外分泌腺和汗水在其環(huán)境中釋放諸如信息素之類的化學(xué)物質(zhì)，以進(jìn)行社會交流。流體排泄物可用于改變表面之間的摩擦并允許平穩(wěn)的運(yùn)動，這對于指導(dǎo)爬行或滑動機(jī)器人的運(yùn)動特別有用。

論文鏈接：
https://robotics.sciencemag.org/content/5/38/eaaz3918