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行業(yè)動態(tài)
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用于全方位和外部感受的軟致動器的彈性生物材料的3D打印

發(fā)布時間：2022-03-01 16:58:04

摘要

軟機器人極大地受益于作為靈感來源的大自然，引入了機器人設備和生物有機體之間安全交互的固有方式。相比之下，所涉及的材料通常是不可生物降解的，或者來自不可再生資源，導致環(huán)境足跡不斷增長。此外，傳統(tǒng)的制造方法，如模具鑄造，不適合復制或模仿大自然創(chuàng)造的復雜性。因此，需要在開發(fā)新的制造程序的同時納入可持續(xù)性概念。我們報告了一種基于熔融沉積建模的定制3D打印工藝，將完全可生物降解的明膠基水凝膠(biogel)墨水打印成尺寸穩(wěn)定的復雜物體。這一過程能夠快速、經(jīng)濟高效地從可拉伸至其原始長度六倍的凝膠中制作出彈性、柔軟的機器人應用原型，以及零浪費的可利用回收程序。我們展示了以快速響應時間(不到一秒)執(zhí)行全向運動的印刷氣動致動器，具有集成的3D印刷可拉伸波導，能夠進行本體和外部感受。這些軟設備具有動態(tài)實時控制能力，能夠自動搜索并清除障礙物。它們可以多次重印，或者在使用壽命結束時被無害處理，這有可能開啟軟機器人的可持續(xù)未來。

介紹

將機器人技術嵌入我們的日常生活有望創(chuàng)造機器輔助的環(huán)境，支持醫(yī)療保健和康復，或增強虛擬現(xiàn)實中交互的觸覺(一–3).然而，除了適合用戶和應用的可定制設計之外，這種動態(tài)環(huán)境通常需要大量的控制算法、傳感器和反饋回路來實現(xiàn)與人的安全交互。由軟材料制成的機器人通過其適應性的軟結構(四).然而，在沒有任何傳感器反饋的情況下，軟機器人仍然依賴于操作員的觀察和干預。新的和快速變化的技術也導致了越來越多的技術廢物，在2019年每天累積超過10萬噸(5).特別是軟機器人，由于軟材料的壽命有限，或者對于例如部署的機器人無法收回的應用，需要在可持續(xù)性方面進行改進。因此，需要來自可再生、可生物降解和可回收資源的可持續(xù)的軟致動器和傳感器，以避免額外的廢物流(6).
最近的可生物降解的軟機器人演示使用合成聚酯(七)，自愈蛋白(8)，或明膠基水凝膠(9,10).盡管實現(xiàn)了氣動驅動致動器所需的高拉伸性和彈性，但是這些機器人通過傳統(tǒng)的模制技術進行加工，該技術僅產(chǎn)生有限幾何形狀和特征尺寸的物體。這限制了它們的適用性，因為它們的運動經(jīng)常被簡化為單一的預定模式，并且實現(xiàn)了有限的基本感測能力。實現(xiàn)更復雜的任務需要先進和更通用的制造策略，如基于擠壓的3D打印，這使得不可成型的機器人幾何結構與集成的傳感器設計成為可能。
明膠是一種多功能的生物聚合物，它允許熔融擠出，并且當甲基丙烯酸酯化時，允許基于光聚合的印刷(11).應用范圍從用于組織工程的支架(12–15)到微型機器人(16)和智能光纖(17).然而，商業(yè)上可獲得的生物繪圖儀或直接激光寫入系統(tǒng)成本非常高，并且基本上僅產(chǎn)生具有中等拉伸性的小尺度(微米到毫米)物體(16,18).軟機器人的快速成型對厘米級、高度可拉伸的致動器和傳感器的低成本三維(3D)打印有很高的需求。除了生物降解之外，保持技術的可持續(xù)性還需要有效地重復使用以前印刷的材料以節(jié)約資源并建立生態(tài)回收路線(圖1A).
 
圖一。集成波導傳感器的可持續(xù)3D打印軟致動器。
（A)可生物降解的成分使軟機器人實現(xiàn)了從搖籃到搖籃的設計，其中熱可逆性為多次使用和延長壽命打開了一個額外的子循環(huán)。（B)三腔氣動執(zhí)行器，配有纖維增強材料和集成光學傳感器。傳感器檢測致動器路徑上的障礙物，并允許移除物體。（C)當浸入水中時，明膠致動器和波導膨脹并溶解。在污水或堆肥中完全生物降解是可能的。
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在這里，我們介紹了集成傳感器網(wǎng)絡的3D打印軟致動器的可持續(xù)材料方法、制造策略和設計概念(電影1)。我們使用定制的擠出系統(tǒng)，在熔融沉積成型(FDM)打印過程中3D打印彈性但完全可降解的生物凝膠，最小特征尺寸為0.6毫米，長寬比大于3(高寬比)。打印的生物凝膠高度可拉伸到超過500%的極限應變，并可通過重印五次直接重復使用。結合材料機械性能的改善，我們的制造策略使我們能夠實現(xiàn)靈巧柔軟的氣動驅動致動器，能夠以高達74°的彎曲角度進行全方位運動。受大自然的啟發(fā)，復雜的傳感器網(wǎng)絡對于所有形式的運動都是必不可少的，我們直接將基于可拉伸波導的光學傳感器網(wǎng)絡與這些軟機器人執(zhí)行器相結合。這種組合實現(xiàn)了高精度的集成曲率、方向和力感測。通過結合我們的3D打印技術來打印主致動器主體和波導，我們最大限度地減少了這種多功能設備的生產(chǎn)步驟。我們展示了機器人的能力，通過實施搜索和擦拭程序，使用其傳感功能來檢測和清除障礙物(圖1B).同時，印刷的生物凝膠可以容易地重復使用或處理，而沒有環(huán)境問題，因為它是完全可生物降解的(10)并在實際時間范圍內溶于水(圖1C).超越了以前報道的生物凝膠的模鑄，這里介紹的受控印刷工藝允許具有軟傳感器的多自由度(DOF)致動器的更精細的特征和制造，同時，將材料的拉伸性增加了約140%。此外，無模具制造和材料可重復使用加快了原型制作，減少了廢物的產(chǎn)生。
影1。用于可持續(xù)軟機器人的明膠基生物凝膠的3D打印。

 

 

結果

生物凝膠墨水的3D打印

在軟機器人應用的工程過程中，軟的和高度可拉伸的材料是強制性的。盡管硅氧烷彈性體如聚二甲基硅氧烷大量增加，但它們是不可生物降解的，需要不可再生的資源，并且一旦交聯(lián)，就不能再變形或再使用。為了解決資源可持續(xù)性和減少廢物的問題，來自生物聚合物的彈性材料如明膠(9,19)，藻酸鹽(20,21)，或者纖維素(22,23)和合成聚酯，例如聚癸二酸甘油酯(24)已經(jīng)成為許多應用領域中可生物降解、可再生和/或可回收解決方案的有途的候選者。然而，這些現(xiàn)有的方法缺乏完全可持續(xù)和實用設備所必需的機械穩(wěn)定性、可重復使用性或生物降解性。在這項工作中，我們使用以前報道的彈性但完全可降解的明膠基水凝膠(10).它們的可調性(彈性模量，0.3至3 MPa)和高拉伸性(%3E300%)源于向主要明膠網(wǎng)絡中引入甘油和糖漿，而檸檬酸的加入調節(jié)pH值以防止細菌生長。這種組合物允許在污水中幾天內進行酶促降解(見圖S1 ),但具有較長的保存期，并且在環(huán)境條件下超過1年的時間范圍內機械性能幾乎不變。
為了在3D打印過程中擠出這些生物凝膠，我們使用了現(xiàn)有的糊料擠出機設計(25)并對其進行了改造，以適應生物凝膠印刷的需要。為此，我們將擠出機集成到Makerbot 2X(2009–2021 Makerbot Industries)3D打印機中，并實施了兩級加熱系統(tǒng)(圖2A)來分別控制儲槽和擠出點的溫度(圖S2)。與通常需要加熱構建板的傳統(tǒng)FDM絲相反，通過冷卻印刷品以保持擠出生物凝膠的形狀穩(wěn)定來加速凝膠化過程是至關重要的。這是通過將市場上可買到的空調系統(tǒng)連接到印刷室來實現(xiàn)的，該空調系統(tǒng)將印刷室的溫度降低到大約10到15℃。因此，印刷的生物凝膠油墨冷卻得足夠快，以將凝膠化時間保持在幾秒鐘內(%3C10 s ),從而允許尺寸穩(wěn)定地印刷復雜的3D物體(圖2，B到D和電影S1)，其縱橫比大于3(底部直徑為16.6 mm)，由具有低楊氏模量(%3C1 MPa)的軟質生物凝膠制成。單個印刷線的寬度約為0.6毫米，這是由噴嘴直徑(0.4毫米)、凝膠的粘度和印刷過程中的冷卻造成的。因此，相鄰行仍然分開的最小行間距是0.5毫米(圖2E).填充印刷線的方向對材料性能的影響可以忽略不計，這表明由于擠出過程，沒有誘導優(yōu)先的聚合物取向(圖S3)。
 
圖2。明膠基生物凝膠的3D打印。
（A)兩級加熱系統(tǒng)的擠壓方案。擠出時，冷氣流會加速凝膠化。（B)固體校準立方體的打印。（C)壁厚0.8毫米的印花扭曲花瓶(D)軟結構和低楊氏模量允許可逆變形。（E)單線(寬度約為0.6毫米)的分辨率測試，從5毫米開始，從左到右減小線間距。在右側，間距為0.5毫米的線仍然是分開的，而間距為0.25毫米的線會形成融合線。（F)打印的零件可以通過加熱和重新打印材料來回收。（G)由于在環(huán)境條件下干燥，樣品的機械性能發(fā)生變化。誤差線:標清n≥ 3個樣本。（H)在環(huán)境條件下儲存的樣品的楊氏模量隨時間的變化。誤差線:標清n≥ 3個樣本。（我)由于連續(xù)的回收循環(huán)，機械性能的相對變化。誤差線:標清n≥ 3個樣本。（J)由于連續(xù)加熱時明膠降解，機械性能的相對變化。（K)前兩個循環(huán)中100%應變下生物凝膠樣品的滯后。（L)直接印刷在不同基材上的生物凝膠的剝離能量[鋁、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、銅和木材]。誤差線:標清n= 3個樣本。
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生物凝膠的熱可逆性允許在隨后的印刷過程中直接重復使用。因此，通過重新加熱材料并打印新的材料(圖2F).我們研究了材料儲存時間、重復使用周期和加熱時間的影響，以深入了解制造過程中機械性能的演變。印刷后，樣品立即變軟(楊氏模量為0.27 MPa)并可拉伸至約507%的極限應變(圖2G)但隨后經(jīng)歷老化并變硬，拉伸性略有變化。24小時后，極限應變變?yōu)?70%，這仍然大大超過模鑄生物凝膠的性能約140%(圖S4)。在環(huán)境條件下儲存時，凝膠的一小部分游離水蒸發(fā)，導致5天內適度的10%重量損失(圖S5A)。在這一點上，達到了平衡，重量和機械性能已經(jīng)穩(wěn)定。該穩(wěn)定過程導致楊氏模量增加到2.2 MPa(圖2H).該生物凝膠保持可拉伸至超過430%的極限應變，并且在環(huán)境條件下儲存12天后能承受約2.2 MPa的極限應力。我們注意到脫水引起的凝膠硬化可能影響機械響應時間，并且在氣動致動器的情況下，對于相同的致動狀態(tài)需要更高的壓力。通常，軟機器人應用通常要求楊氏模量在0.1至10 MPa的范圍內，極限應變大于200%(6)，即使在老化后，我們的3D打印生物凝膠也完全符合或超過這些性能指標。
在印刷部件的壽命結束時，它可以被引入利用生物凝膠的熱可逆性的再利用循環(huán)中。我們多次重印樣品，以研究后續(xù)印刷對生物凝膠機械性能的影響(圖2I).該過程導致五個印刷循環(huán)后楊氏模量增加(圖S5B)，而極限應變和極限應力分別保持在初始值的85%和72%。此后，由于生物凝膠變得太粘，不連續(xù)擠出導致進一步印刷失敗。改變生物凝膠機械性能的另一個過程是溫度誘導的明膠降解，這發(fā)生在延長的加熱持續(xù)時間(
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