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Science子刊:FDM 3D打印彈性生物凝膠,可用于軟體機(jī)器人

3D打印動(dòng)態(tài)
2022
02/26
18:41
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評(píng)論
南極熊獲悉,2022年2月,來(lái)自?shī)W地利的約翰開(kāi)普勒林茨大學(xué)軟材料實(shí)驗(yàn)室的研究者們利用FDM/FFF熔融沉積3D打印將完全可生物降解的明膠水凝膠(生物凝膠)墨水打印成具有尺寸穩(wěn)定的復(fù)雜物體,可用于軟體機(jī)器人領(lǐng)域。該研究已發(fā)表在Science Robotics期刊上(影響因子:23.748)


軟體機(jī)器人是一種新型柔軟機(jī)器人,能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境,與人類(lèi)的交互也更安全。但制作軟體機(jī)器人的材料往往是不可生物降解的,或者來(lái)自不可再生的資源,這在一定程度上破壞了生態(tài)環(huán)境。此外,傳統(tǒng)的制造方法,如模具鑄造,不適合復(fù)現(xiàn)大自然的復(fù)雜性。因此,在開(kāi)發(fā)新的制造工藝的同時(shí),需要考慮可持續(xù)發(fā)展的概念。


該研究報(bào)告了一種基于熔融沉積的3D打印工藝,能夠?qū)?strong>完全可生物降解的明膠水凝膠(生物凝膠)墨水打印成尺寸穩(wěn)定的復(fù)雜物體。這一工藝能夠快速、經(jīng)濟(jì)且高效地制作具有彈性的軟機(jī)器人的原型,該凝膠可以伸展到原始長(zhǎng)度的六倍,并且該技術(shù)具有零浪費(fèi)回收系統(tǒng)。本研究制作了可快速響應(yīng)(不到一秒)的執(zhí)行全方位運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)致動(dòng)器,具有3D打印的可伸縮波導(dǎo)(波導(dǎo):用來(lái)定向引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)),能夠進(jìn)行本體和外部感知。經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制,這些軟體設(shè)備能夠自動(dòng)檢測(cè)和清除障礙物。它們可以被重復(fù)打印,或者經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理,對(duì)軟機(jī)器人的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。


△具有波導(dǎo)傳感器的3D打印軟執(zhí)行器。(A)生物可降解成分能夠?qū)崿F(xiàn)軟機(jī)器人“從搖籃到搖籃“(可持續(xù)化)的設(shè)計(jì)(B)帶有纖維增強(qiáng)和集成光學(xué)傳感器的三腔氣動(dòng)執(zhí)行器。傳感器檢測(cè)致動(dòng)器路徑上的障礙物,并允許移動(dòng)物體。(C)明膠致動(dòng)器和波導(dǎo)浸泡在水中時(shí)會(huì)膨脹和溶解。



△用于軟體機(jī)器人的生物凝膠的3D打印示意圖

生物凝膠的3D打印


在軟體機(jī)器人中,必須使柔軟且高度可伸展的材料。盡管聚二甲基硅氧烷等有機(jī)硅彈性體能大量增殖,但它們是不可生物降解的,而且一旦交聯(lián),就不能再整形或重復(fù)使用�?紤]到資源的可持續(xù)性和廢物的減少,來(lái)自生物聚合物(如明膠)、海藻酸鹽或纖維素和合成聚酯(如聚癸二酸甘油)的彈性材料已成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的可生物降解、可再生或可回收解決方案的首選材料。


本研究中,研究人員使用了具有彈性但完全可降解的明膠水凝膠,其彈性模量具有可調(diào)性(0.3~3 MPa)高延伸性(>300%)。為了在3D打印過(guò)程中擠出這些生物凝膠,研究人員使用了現(xiàn)有的擠出機(jī)設(shè)備,并對(duì)其進(jìn)行了修改以適應(yīng)生物凝膠打印的需要。與通常需要加熱構(gòu)建板的傳統(tǒng)FDM制造不同,本實(shí)驗(yàn)最重要的是通過(guò)冷卻打印產(chǎn)品來(lái)加速凝膠制造過(guò)程,以保持?jǐn)D出生物凝膠的形狀穩(wěn)定。研究人員將空調(diào)系統(tǒng)連接到打印腔以進(jìn)行降溫,該系統(tǒng)可以將打印室溫度降低到約10°到15°C。打印后,樣品立即變軟(楊氏模量為0.27 MPa),并可伸展到約507%的極限應(yīng)變,但隨后樣品硬化,延展性略有變化。24小時(shí)后,最終應(yīng)變變?yōu)?70%,這仍然超過(guò)墨竹生物凝膠的應(yīng)變性能(約140%)生物凝膠在環(huán)境條件下存放12天后,仍可伸長(zhǎng)到430%以上的極限應(yīng)變,并承受約2.2 MPa的極限應(yīng)力。比較打印的生物凝膠和模鑄的生物凝膠時(shí),研究人員發(fā)現(xiàn)3D打印的樣品具有更好的性能,達(dá)到了更高的延伸性和極限應(yīng)力。



明膠基生物凝膠的3D打印。(A)兩階段加熱系統(tǒng)的擠出方案。擠出后,通過(guò)冷氣流加速凝膠化。(B) 打印固體校準(zhǔn)立方體。(C) 打印壁厚為0.8mm的扭曲瓶。(D)軟結(jié)構(gòu)和低楊氏模量允許可逆變形。(E)分辨率測(cè)試,(F) 打印部件可以通過(guò)加熱和重復(fù)打印材料來(lái)回收利用。(G) 由于在環(huán)境條件下干燥而改變的機(jī)械性能。(H) 樣品的楊氏模量隨時(shí)間的變化(J) 連續(xù)加熱時(shí)明膠降解引起的機(jī)械性能的相對(duì)變化。(K) 生物凝膠樣品在前兩個(gè)循環(huán)中,100%應(yīng)變下的滯后現(xiàn)象。(L)直接打印在不同基材上的生物凝膠的剝離能。



可伸縮波導(dǎo)傳感器的打印


隨著人們對(duì)設(shè)備功能的需求日益增長(zhǎng),軟機(jī)器人需要具有自身和外部感知問(wèn)題,以實(shí)現(xiàn)受控導(dǎo)航和與環(huán)境的交互�?缮煺共▽�(dǎo)可以用來(lái)解決上述問(wèn)題。特別是,有損耗波導(dǎo)(無(wú)論是否有包層)在拉伸時(shí)對(duì)長(zhǎng)度變化表現(xiàn)出很高的敏感度。它們可以通過(guò)各種材料實(shí)現(xiàn),如有機(jī)硅彈性體、紫外光固化樹(shù)脂或水凝膠。其中,明膠基材具有熱塑性,這種特性允許其通過(guò)熔融擠壓大規(guī)模制造波導(dǎo),或者通過(guò)3D打印快速生產(chǎn)波導(dǎo)。本研究中,研究人員直接從生物凝膠墨水中打印沒(méi)有包層的波導(dǎo)。

3D打印全方位執(zhí)行器

到目前為止,軟體致動(dòng)器已經(jīng)應(yīng)用在手術(shù)工具、康復(fù)設(shè)備、抓爪、行走和游泳機(jī)器人等工具或設(shè)備中,在本研究中,研究人員使用3D打印技術(shù),打印了一個(gè)可生物降解的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的三腔執(zhí)行器(直徑16.6mm,高60mm。單獨(dú)充氣腔的平行布置允許使用單個(gè)壓力源和三個(gè)電空壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行全方位驅(qū)動(dòng)。


多向自感致動(dòng)器的性能。(A)波導(dǎo)傳感器放置在致動(dòng)器上,并在頂部相互交叉,以檢測(cè)彎曲狀態(tài)和觸摸輸入。(B)致動(dòng)器在加壓三個(gè)腔室之一時(shí)的彎曲角的階躍響應(yīng)。 (C)所有三個(gè)腔室的彎曲角與壓力特性的關(guān)系。(D)從波導(dǎo)的強(qiáng)度圖推斷致動(dòng)器的彎曲方向。當(dāng)腔體加壓時(shí),在最近的波導(dǎo)中強(qiáng)度下降最大。(E)當(dāng)觸摸致動(dòng)器的尖端(圖中的灰色區(qū)域)時(shí),所有三個(gè)波導(dǎo)上的強(qiáng)度都下降。



小結(jié):

研究人員提出了一種由可持續(xù)生物材料制成的3D打印的全方位軟驅(qū)動(dòng)器,它具有通過(guò)3D打印的軟光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)多方向傳感的功能。多功能和高精度的傳感器能夠感知關(guān)于執(zhí)行器彎曲狀態(tài)和其周?chē)矬w。這使得軟機(jī)器人自主地定位其附近的障礙物,并進(jìn)行移除。研究人員同時(shí)也注意到波導(dǎo)的信號(hào)輸出可能會(huì)有所不同。根據(jù)操作的不同,仍然需要區(qū)分不同的刺激(例如,彎曲和觸摸)。


本研究中的機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)是完全可生物降解的。此外,由于生物凝膠的水溶性,可以用一種簡(jiǎn)單的方法將機(jī)器人與其不可生物降解的控制部分分開(kāi),從而允許凝膠的重復(fù)使用。研究人員還發(fā)現(xiàn)生物凝膠最多可重復(fù)打印五次,可保持初始性能指標(biāo)的70%以上。通過(guò)生物凝膠的再水化來(lái)恢復(fù)可打印性,并通過(guò)提高打印速度來(lái)降低打印溫度或縮短加熱周期,可以實(shí)現(xiàn)更多的重復(fù)打印周期。綜上,本研究對(duì)軟機(jī)器人的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。


注:本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整,若需可以查看原文。
改編原文:Heiden A, Preninger D,Lehner L, et al. 3D printing of resilient biogels for omnidirectional andexteroceptive soft actuators[J]. Science Robotics, 2022, 7(63): eabk2119.



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