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动态水凝胶制造柔性机器人部件

来源:环球科学
具有流体通道,类似乐高的水凝胶模块可以组装成复杂的微流体装置并紧密地密封在一起。(图片来源:Wong实验室/布朗大学)

通过使用能动态响应环境的新型二元聚合物材料,布朗大学的研究人员研发了一套水凝胶模块,能在多种柔性机器人和生物医学领域得到应用。
这些由3D打印机制造的部件,能够经某些化学物质的处理后被弯折、扭曲或者粘在一起。在《高分子化学》(Polymer Chemistry)杂志发表的论文中,研究人员展示了一个能根据要求夹取小物体的柔软抓手。他们还设计了类似乐高的水凝胶模块,能被小心地组装起来,然后牢固地固定在一起形成定制的微流体设备——用于药物筛选、细胞培养等应用的“芯片实验室”系统。
研究人员说,这种新材料具有特殊功能的关键在于它的二元聚合物组成。
“本质上来说,一种聚合物能提供结构完整性,另外一种实现弯曲或自粘等动态行为,”布朗大学工程学院刚毕业的博士生,也是该论文的主要作者Thomas Valentin说,“所以把两种材料组装在一起能制造一种优于部分之和的材料。”
当水凝胶内部的聚合物链相互栓系时,水凝胶就会凝固,这一过程被称为交联。有两种键使交联聚合物保持在一起:共价键和离子键。共价键非常牢固,但是不可逆。一旦两条聚合物链由共价键连接,断开聚合物链本身比断开共价键更容易。另一方面,离子键没有如此牢固,它们可以被逆转。添加离子(具有净正电荷或负电荷的原子或分子)将导致离子键形成,去除离子将导致键断开。
对于这种新的材料,研究人员结合了一种被称为PEGDA的由共价键交联的聚合物,和一种被称为PAA的由离子键交联的聚合物。PEGDA牢固的离子键使材料保持稳定,PAA的离子键使它响应变化。把材料置于具有丰富离子的环境中使PAA交联,意味着PAA变得更硬并缩小。去除离子后,因为离子键的破坏,材料变得柔软并膨胀。也是这种特性使材料在需要的时候具有自粘性。把两块分开的部件放在一起,加一些离子,两块部件就牢牢地固定在一起了。
牢固和动态行为的结合使得研究人员能够制造柔软抓手。他们在抓手的每个“手指”的一端使用纯PEGDA,另一端使用PEGDA-PAA混合材料。增加离子使PEGDA-PAA端收缩且变得牢固,这将抓手的“手指”拉到一起。研究人员展示了这种结构足够牢固,能够举起重约一克的小物体,并保持稳定。
“人们对可以变化形状并自动适应不同环境的材料很有兴趣,”工程学助理教授兼论文的通讯作者Ian Y. Wong说。“我们在这里展示了一种能根据外界刺激收缩并重构自身的材料。”
研究人员表示,可能更直接的应用是在微流体方面。
水凝胶是一种对微流体设备十分有吸引力的材料,特别是对那些用于生物医学测试的设备。它们就像人体组织一样柔软易弯曲,并且通常无毒。但问题在于水凝胶通常很难与微流体中所需要的复杂通道和腔室相匹配。
但是这种新材料和它类似乐高模块的设计提供了一种潜在的解决方法。3D打印程序使复杂的微流体结构能由各个模块结合而成,之后这些模块能通过非常类似乐高的插口形状得以组装。向组装好的块体中添加离子可以形成水密密封。
“类似乐高的模块非常有趣,因为我们能为微流体设备做一个预先准备好的工具盒,”Valentin说,“你手头有许多具有不同微流体结构的预备部件,然后只需要拿出你需要的部件类型来定制微流体电路,之后把它们固定在一起就完成了。”
研究人员补充道,在使用之前早早搭建模块并不是一个问题。
“我们测试时使用的一些样品在当时已经存在三四个月了,” Eric DuBois说。他是布朗大学的本科生,也是这篇论文的合著者。“所以我们觉得它们可以在很长的一段时间里保持功效。”
研究人员表示,他们将继续研究这种材料,可能会继续调整材料的性能,使它更耐用,具有更多功能。

翻译:王嘉钰
审校:胡佳仪
引进来源:美国科学公共图书馆
引进链接:https://www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190321141907.htm
本文来自:环球科学
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