用于全方位和外部感受的软致动器的弹性生物材料的3D打印-河南八斗智造智能科技有限公司

行业动态

用于全方位和外部感受的软致动器的弹性生物材料的3D打印

发布时间：2022-03-01 16:58:04

摘要

软机器人极大地受益于作为灵感来源的大自然，引入了机器人设备和生物有机体之间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，或者来自不可再生资源，导致环境足迹不断增长。此外，传统的制造方法，如模具铸造，不适合复制或模仿大自然创造的复杂性。因此，需要在开发新的制造程序的同时纳入可持续性概念。我们报告了一种基于熔融沉积建模的定制3D打印工艺，将完全可生物降解的明胶基水凝胶(biogel)墨水打印成尺寸稳定的复杂物体。这一过程能够快速、经济高效地从可拉伸至其原始长度六倍的凝胶中制作出弹性、柔软的机器人应用原型，以及零浪费的可利用回收程序。我们展示了以快速响应时间(不到一秒)执行全向运动的印刷气动致动器，具有集成的3D印刷可拉伸波导，能够进行本体和外部感受。这些软设备具有动态实时控制能力，能够自动搜索并清除障碍物。它们可以多次重印，或者在使用寿命结束时被无害处理，这有可能开启软机器人的可持续未来。

介绍

将机器人技术嵌入我们的日常生活有望创造机器辅助的环境，支持医疗保健和康复，或增强虚拟现实中交互的触觉(一–3).然而，除了适合用户和应用的可定制设计之外，这种动态环境通常需要大量的控制算法、传感器和反馈回路来实现与人的安全交互。由软材料制成的机器人通过其适应性的软结构(四).然而，在没有任何传感器反馈的情况下，软机器人仍然依赖于操作员的观察和干预。新的和快速变化的技术也导致了越来越多的技术废物，在2019年每天累积超过10万吨(5).特别是软机器人，由于软材料的寿命有限，或者对于例如部署的机器人无法收回的应用，需要在可持续性方面进行改进。因此，需要来自可再生、可生物降解和可回收资源的可持续的软致动器和传感器，以避免额外的废物流(6).

最近的可生物降解的软机器人演示使用合成聚酯(七)，自愈蛋白(8)，或明胶基水凝胶(9,10).尽管实现了气动驱动致动器所需的高拉伸性和弹性，但是这些机器人通过传统的模制技术进行加工，该技术仅产生有限几何形状和特征尺寸的物体。这限制了它们的适用性，因为它们的运动经常被简化为单一的预定模式，并且实现了有限的基本感测能力。实现更复杂的任务需要先进和更通用的制造策略，如基于挤压的3D打印，这使得不可成型的机器人几何结构与集成的传感器设计成为可能。

明胶是一种多功能的生物聚合物，它允许熔融挤出，并且当甲基丙烯酸酯化时，允许基于光聚合的印刷(11).应用范围从用于组织工程的支架(12–15)到微型机器人(16)和智能光纤(17).然而，商业上可获得的生物绘图仪或直接激光写入系统成本非常高，并且基本上仅产生具有中等拉伸性的小尺度(微米到毫米)物体(16,18).软机器人的快速成型对厘米级、高度可拉伸的致动器和传感器的低成本三维(3D)打印有很高的需求。除了生物降解之外，保持技术的可持续性还需要有效地重复使用以前印刷的材料以节约资源并建立生态回收路线(图1A).

图一。集成波导传感器的可持续3D打印软致动器。

（A)可生物降解的成分使软机器人实现了从摇篮到摇篮的设计，其中热可逆性为多次使用和延长寿命打开了一个额外的子循环。（B)三腔气动执行器，配有纤维增强材料和集成光学传感器。传感器检测致动器路径上的障碍物，并允许移除物体。（C)当浸入水中时，明胶致动器和波导膨胀并溶解。在污水或堆肥中完全生物降解是可能的。

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在这里，我们介绍了集成传感器网络的3D打印软致动器的可持续材料方法、制造策略和设计概念(电影1)。我们使用定制的挤出系统，在熔融沉积成型(FDM)打印过程中3D打印弹性但完全可降解的生物凝胶，最小特征尺寸为0.6毫米，长宽比大于3(高宽比)。打印的生物凝胶高度可拉伸到超过500%的极限应变，并可通过重印五次直接重复使用。结合材料机械性能的改善，我们的制造策略使我们能够实现灵巧柔软的气动驱动致动器，能够以高达74°的弯曲角度进行全方位运动。受大自然的启发，复杂的传感器网络对于所有形式的运动都是必不可少的，我们直接将基于可拉伸波导的光学传感器网络与这些软机器人执行器相结合。这种组合实现了高精度的集成曲率、方向和力感测。通过结合我们的3D打印技术来打印主致动器主体和波导，我们最大限度地减少了这种多功能设备的生产步骤。我们展示了机器人的能力，通过实施搜索和擦拭程序，使用其传感功能来检测和清除障碍物(图1B).同时，印刷的生物凝胶可以容易地重复使用或处理，而没有环境问题，因为它是完全可生物降解的(10)并在实际时间范围内溶于水(图1C).超越了以前报道的生物凝胶的模铸，这里介绍的受控印刷工艺允许具有软传感器的多自由度(DOF)致动器的更精细的特征和制造，同时，将材料的拉伸性增加了约140%。此外，无模具制造和材料可重复使用加快了原型制作，减少了废物的产生。

影1。用于可持续软机器人的明胶基生物凝胶的3D打印。

结果

生物凝胶墨水的3D打印

在软机器人应用的工程过程中，软的和高度可拉伸的材料是强制性的。尽管硅氧烷弹性体如聚二甲基硅氧烷大量增加，但它们是不可生物降解的，需要不可再生的资源，并且一旦交联，就不能再变形或再使用。为了解决资源可持续性和减少废物的问题，来自生物聚合物的弹性材料如明胶(9,19)，藻酸盐(20,21)，或者纤维素(22,23)和合成聚酯，例如聚癸二酸甘油酯(24)已经成为许多应用领域中可生物降解、可再生和/或可回收解决方案的有途的候选者。然而，这些现有的方法缺乏完全可持续和实用设备所必需的机械稳定性、可重复使用性或生物降解性。在这项工作中，我们使用以前报道的弹性但完全可降解的明胶基水凝胶(10).它们的可调性(弹性模量，0.3至3 MPa)和高拉伸性(%3E300%)源于向主要明胶网络中引入甘油和糖浆，而柠檬酸的加入调节pH值以防止细菌生长。这种组合物允许在污水中几天内进行酶促降解(见图S1 ),但具有较长的保存期，并且在环境条件下超过1年的时间范围内机械性能几乎不变。

为了在3D打印过程中挤出这些生物凝胶，我们使用了现有的糊料挤出机设计(25)并对其进行了改造，以适应生物凝胶印刷的需要。为此，我们将挤出机集成到Makerbot 2X(2009–2021 Makerbot Industries)3D打印机中，并实施了两级加热系统(图2A)来分别控制储槽和挤出点的温度(图S2)。与通常需要加热构建板的传统FDM丝相反，通过冷却印刷品以保持挤出生物凝胶的形状稳定来加速凝胶化过程是至关重要的。这是通过将市场上可买到的空调系统连接到印刷室来实现的，该空调系统将印刷室的温度降低到大约10到15℃。因此，印刷的生物凝胶油墨冷却得足够快，以将凝胶化时间保持在几秒钟内(%3C10 s ),从而允许尺寸稳定地印刷复杂的3D物体(图2，B到D和电影S1)，其纵横比大于3(底部直径为16.6 mm)，由具有低杨氏模量(%3C1 MPa)的软质生物凝胶制成。单个印刷线的宽度约为0.6毫米，这是由喷嘴直径(0.4毫米)、凝胶的粘度和印刷过程中的冷却造成的。因此，相邻行仍然分开的最小行间距是0.5毫米(图2E).填充印刷线的方向对材料性能的影响可以忽略不计，这表明由于挤出过程，没有诱导优先的聚合物取向(图S3)。

图2。明胶基生物凝胶的3D打印。

（A)两级加热系统的挤压方案。挤出时，冷气流会加速凝胶化。（B)固体校准立方体的打印。（C)壁厚0.8毫米的印花扭曲花瓶(D)软结构和低杨氏模量允许可逆变形。（E)单线(宽度约为0.6毫米)的分辨率测试，从5毫米开始，从左到右减小线间距。在右侧，间距为0.5毫米的线仍然是分开的，而间距为0.25毫米的线会形成融合线。（F)打印的零件可以通过加热和重新打印材料来回收。（G)由于在环境条件下干燥，样品的机械性能发生变化。误差线:标清n≥ 3个样本。（H)在环境条件下储存的样品的杨氏模量随时间的变化。误差线:标清n≥ 3个样本。（我)由于连续的回收循环，机械性能的相对变化。误差线:标清n≥ 3个样本。（J)由于连续加热时明胶降解，机械性能的相对变化。（K)前两个循环中100%应变下生物凝胶样品的滞后。（L)直接印刷在不同基材上的生物凝胶的剥离能量[铝、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、铜和木材]。误差线:标清n= 3个样本。

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生物凝胶的热可逆性允许在随后的印刷过程中直接重复使用。因此，通过重新加热材料并打印新的材料(图2F).我们研究了材料储存时间、重复使用周期和加热时间的影响，以深入了解制造过程中机械性能的演变。印刷后，样品立即变软(杨氏模量为0.27 MPa)并可拉伸至约507%的极限应变(图2G)但随后经历老化并变硬，拉伸性略有变化。24小时后，极限应变变为470%，这仍然大大超过模铸生物凝胶的性能约140%(图S4)。在环境条件下储存时，凝胶的一小部分游离水蒸发，导致5天内适度的10%重量损失(图S5A)。在这一点上，达到了平衡，重量和机械性能已经稳定。该稳定过程导致杨氏模量增加到2.2 MPa(图2H).该生物凝胶保持可拉伸至超过430%的极限应变，并且在环境条件下储存12天后能承受约2.2 MPa的极限应力。我们注意到脱水引起的凝胶硬化可能影响机械响应时间，并且在气动致动器的情况下，对于相同的致动状态需要更高的压力。通常，软机器人应用通常要求杨氏模量在0.1至10 MPa的范围内，极限应变大于200%(6)，即使在老化后，我们的3D打印生物凝胶也完全符合或超过这些性能指标。

在印刷部件的寿命结束时，它可以被引入利用生物凝胶的热可逆性的再利用循环中。我们多次重印样品，以研究后续印刷对生物凝胶机械性能的影响(图2I).该过程导致五个印刷循环后杨氏模量增加(图S5B)，而极限应变和极限应力分别保持在初始值的85%和72%。此后，由于生物凝胶变得太粘，不连续挤出导致进一步印刷失败。改变生物凝胶机械性能的另一个过程是温度诱导的明胶降解，这发生在延长的加热持续时间(

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