《ACS Nano》水凝膠3D打印實現(xiàn)仿生軟體機器人的設計

來源：國際仿生工程學會

水凝膠材料有著本征的力學柔軟特性，此外它的種類豐富性也帶來了許多類似于生物有機體的獨特性質，如可延展性、生物兼容性、可滲透性，以及對外界刺激的響應能力。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器人設計原材料，并且取得了一系列的進展。當前基于水凝膠的軟體機器人研究中，仍然存在兩個亟需克服的限制因素：一是水凝膠材料普遍的低力學強度，限制了實際應用中的可靠性；另外，水凝膠軟體機器人依賴于模具設計制備，繁瑣且難以實現(xiàn)復雜的3D構型。因此，發(fā)展一種簡單通用的設計策略來實現(xiàn)具有結構復雜性以及力學可靠性的仿生軟體機器人具有重要的意義。

基于以上研究背景，新加坡國立大學的Ghim Wei Ho教授課題組開發(fā)了一種基于水凝膠3D打印的仿生軟體機器人設計策略。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節(jié)劑，實現(xiàn)了一系列的化學交聯(lián)以及物理交聯(lián)水凝膠材料直接3D打印設計成型。海藻酸鈉的本征親水網(wǎng)絡使得主體水凝膠能夠保留本身的優(yōu)異性能，同時雙網(wǎng)絡結構還顯著增強了打印成型后軟體機器人的力學韌性。利用這種方法，該課題組實現(xiàn)了基于不同特性水凝膠材料的仿生軟體機器人設計，此項工作的設計理念如圖1所示。

圖1.基于水凝膠3D打印的仿生軟體機器人設計理念。a.所選用物理交聯(lián)或化學交聯(lián)型水凝膠單體溶液及其流變特性。b.海藻酸鈉調控后可打印水凝膠材料及其流變特性。c.直接擠出式3D打印實現(xiàn)水凝膠材料3D復雜構型。d.結合水凝膠結構及性能實現(xiàn)仿生軟體機器人設計。

為了對所開發(fā)的設計策略進行概念驗證與展示，該課題組設計了基于不同水凝膠材料的三種仿生軟體機器人，包括基于聚丙烯酰胺（PAM）的三維可轉動觸須、基于聚乙烯醇（PVA）的可跳動及物質傳輸仿生心臟、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的力學可拉伸性，通過設計對稱式四通道，實現(xiàn)了液壓控制的三維自由旋轉動作，如圖2所示。

圖2.基于PAM的液壓控制三維可轉動觸須

仿生心臟利用了PVA的力學柔性、溶質可滲透性以及生物兼容性，通過設計內置腔體以及外表面血管結構微通道，實現(xiàn)了氣動式心跳動作以及生物質（葡萄糖與氯離子）交換傳輸，如圖3及圖4所示。

圖3.基于PVA的氣動式仿生心臟跳動

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

仿生植物藤蔓則利用了PNIPAM的可延展性及熱響應特性，通過3D打印設計了對稱及非對稱的分段式纖維結構，實現(xiàn)了類似于植物藤蔓的光響應回旋動作以及彎曲固定動作，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動

圖6.基于PNIPAM的仿生藤蔓的向光性彎曲與固定動作

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。
全文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06144