康奈爾大學(xué)《Nature Protocols》3D打印自主排汗水凝膠促動(dòng)器

來源：水凝膠

為了減輕高溫的不利影響，傳統(tǒng)的剛性設(shè)備使用笨重的散熱器，散熱器和風(fēng)扇來散發(fā)敏感組件的熱量。不幸的是，這些溫度調(diào)節(jié)策略與軟機(jī)器人不兼容，軟機(jī)器人是一個(gè)不斷發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，就像生物學(xué)一樣，它利用軟材料來構(gòu)建順應(yīng)性和高度可變形的物體，以實(shí)現(xiàn)功能適應(yīng)性。最近，康奈爾大學(xué)Thomas J. Wallin教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了可在高溫下自動(dòng)排汗的流體彈性體執(zhí)行器。

這種策略會(huì)引起操作上的損失（即，降低的致動(dòng)效率和液壓流體的損失），但是提供了軟系統(tǒng)中的溫度調(diào)節(jié)。在這種受生物啟發(fā)的方法中，從帶有嵌入微孔的智能凝膠中3D打印手指狀致動(dòng)器，這些微孔可根據(jù)溫度自動(dòng)擴(kuò)張和收縮。在高溫運(yùn)行期間，內(nèi)部液壓流體流經(jīng)膨脹的孔，吸收熱量并蒸發(fā)。冷卻后，孔收縮以限制流體損失并恢復(fù)運(yùn)行。為了評(píng)估溫度調(diào)節(jié)性能，該協(xié)議使用非侵入式熱成像技術(shù)來測(cè)量變化條件下機(jī)器人的局部溫度。基于牛頓冷卻定律的數(shù)學(xué)模型可以量化冷卻性能，并可以在競(jìng)爭(zhēng)設(shè)計(jì)之間進(jìn)行比較。出汗執(zhí)行器的制造通常需要3–6小時(shí)，具體取決于尺寸，并且可以提供> 100 W / kg的額外冷卻能力。相關(guān)論文以題為Making bioinspired 3D-printed autonomic perspiring hydrogel actuators發(fā)表在《Nature Protocols》上

實(shí)驗(yàn)步驟的發(fā)展
自主排汗水凝膠致動(dòng)器的材料設(shè)計(jì)與制造
合成水凝膠（即親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)）經(jīng)常用于受生物啟發(fā)的系統(tǒng)中。軟機(jī)器人中常見兩類水凝膠致動(dòng)器：流體彈性體致動(dòng)器（FEA）和滲透性致動(dòng)器。流體執(zhí)行器的工作方式類似于帶圖案的氣球；在內(nèi)部通道加壓期間，彈性體根據(jù)應(yīng)變限制元件的結(jié)構(gòu)布置而改變形狀（圖1a）。相比之下，滲透驅(qū)動(dòng)的“智能”水凝膠可逆地將大量溶劑直接吸收到聚合物網(wǎng)絡(luò)中，以響應(yīng)細(xì)微的環(huán)境變化而多次改變其體積�；旌衔铮ㄈ軇�-聚合物系統(tǒng)）的化學(xué)勢(shì)能與網(wǎng)絡(luò)的彈性勢(shì)能之間的能量平衡決定了這種動(dòng)態(tài)行為。當(dāng)溶劑與凝膠的相互作用良好時(shí)，溶劑分子沿化學(xué)勢(shì)梯度擴(kuò)散，使聚合物溶脹，直到與拉伸網(wǎng)絡(luò)的彈性勢(shì)平衡為止。如果相互作用不利，則彈性能占主導(dǎo)，并且凝膠排出溶劑分子并塌陷�？偟膩碚f，與智能凝膠相比，有限元分析雖然能耗更高，效率更低，但可提供更快（f> 1 Hz），大規(guī)模，高力的驅(qū)動(dòng)力。因此，我們的設(shè)計(jì)采用了液壓驅(qū)動(dòng)的有限元分析法，并由包含滲透壓驅(qū)動(dòng)微孔的水凝膠層覆蓋。

圖1：受生物啟發(fā)的3D打印水凝膠致動(dòng)器。a，采用多材料印刷的高表面積設(shè)計(jì)執(zhí)行器。b，執(zhí)行器設(shè)計(jì)的分解圖。c，在不同環(huán)境中液壓加壓時(shí)，孔隙響應(yīng)與執(zhí)行器性能之間的比較。d，加壓前后出汗執(zhí)行器的實(shí)際圖像。

用于自主毛孔的智能材料的表征
用質(zhì)量（重量）和尺寸變化（直接成像）來量化腫脹程度，這兩種方法都涉及受過本科程度培訓(xùn)的研究人員可以使用的簡(jiǎn)單方法。如圖2所示，適當(dāng)?shù)挠?jì)劃可以同時(shí)收集兩個(gè)數(shù)據(jù)流。

圖2：智能毛孔的特征。a，用于孔分析的實(shí)驗(yàn)裝置。b，多孔水凝膠在不同溫度下的代表性圖像。

執(zhí)行器的機(jī)械性能

圖3：用于性能測(cè)試的機(jī)器人系統(tǒng)。a，單個(gè)執(zhí)行器組裝在3D打印的支架中。b，擬人柔軟的手。c，機(jī)器人三點(diǎn)抓取器。

圖4 機(jī)械和出汗測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置。

預(yù)期結(jié)果
該協(xié)議概述了出汗的有限元分析的設(shè)計(jì)和制造。水凝膠化學(xué)的立體光刻印刷產(chǎn)生了具有生物啟發(fā)的具有動(dòng)態(tài)微孔的軟機(jī)器人，該微孔可以根據(jù)溫度自動(dòng)擴(kuò)張和收縮。如圖5a所示，適當(dāng)?shù)牟牧线x擇和設(shè)計(jì)應(yīng)產(chǎn)生孔隙，該孔隙的橫截面積會(huì)隨溫度顯著變化（> 25％）。為了穩(wěn)定的自主運(yùn)行，這種尺寸變化應(yīng)該是可逆的。如圖5b所示，我們的水凝膠系統(tǒng)能夠在有利的條件（水，25°C）和不利的條件（非溶劑）之間經(jīng)歷許多膨脹和收縮循環(huán)。

圖5：水凝膠孔的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。a，響應(yīng)于溫度，不同直徑的基于PAAm的孔的尺寸變化。b，在有利和不利條件下水凝膠反應(yīng)的可逆性。

在圖6a中，展示了一個(gè)示例執(zhí)行器，該執(zhí)行器根據(jù)上述協(xié)議進(jìn)行了打印，并在出汗過程中加壓以獲得不同的執(zhí)行幅度。在圖6b中，在自由對(duì)流（黑線）和強(qiáng)制對(duì)流（紅線）的環(huán)境中測(cè)量了這些出汗執(zhí)行器（實(shí)線）和非出汗執(zhí)行器（虛線）的表面溫度。

圖6：出汗執(zhí)行器的性能。a，致動(dòng)器被加壓至不同的致動(dòng)角度和出汗。b，在自由（黑色）和強(qiáng)制（紅色）對(duì)流模式下，出汗（虛線）和不出汗（實(shí)線）執(zhí)行器的溫度變化。陰影區(qū)域代表三個(gè)試驗(yàn)中的溫度范圍。c，由出汗的執(zhí)行器組成的機(jī)械手，通過出汗迅速調(diào)節(jié)溫度。

但是，這些從執(zhí)行器表面掉落的水滴可用于冷卻其周圍環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)熱操縱。在圖7a中，示出了聚氨酯泡沫物體在環(huán)境條件下被動(dòng)冷卻。相比之下，在圖7b中，相同的對(duì)象是由由出汗致動(dòng)器組成的機(jī)器人抓取器進(jìn)行熱操作的。手抓其的分泌水會(huì)迅速冷卻物體表面，從而使冷卻速度提高200％以上。

圖7：抓握物體的熱操縱。a，聚氨酯泡沫物體在空氣中被動(dòng)冷卻。b，由于由出汗致動(dòng)器組成的機(jī)器人抓手分泌出汗，同一聚氨酯泡沫物體迅速冷卻。

參考文獻(xiàn)：doi.org/10.1038/s41596-020-00484-z