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用于全方位和外部感受的軟致動(dòng)器的彈性生物材料的3D打印

發(fā)布時(shí)間：2022-03-01 16:58:04

摘要

軟機(jī)器人極大地受益于作為靈感來(lái)源的大自然，引入了機(jī)器人設(shè)備和生物有機(jī)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(lái)自不可再生資源，導(dǎo)致環(huán)境足跡不斷增長(zhǎng)。此外，傳統(tǒng)的制造方法，如模具鑄造，不適合復(fù)制或模仿大自然創(chuàng)造的復(fù)雜性。因此，需要在開(kāi)發(fā)新的制造程序的同時(shí)納入可持續(xù)性概念。我們報(bào)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(fù)雜物體。這一過(guò)程能夠快速、經(jīng)濟(jì)高效地從可拉伸至其原始長(zhǎng)度六倍的凝膠中制作出彈性、柔軟的機(jī)器人應(yīng)用原型，以及零浪費(fèi)的可利用回收程序。我們展示了以快速響應(yīng)時(shí)間(不到一秒)執(zhí)行全向運(yùn)動(dòng)的印刷氣動(dòng)致動(dòng)器，具有集成的3D印刷可拉伸波導(dǎo)，能夠進(jìn)行本體和外部感受。這些軟設(shè)備具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制能力，能夠自動(dòng)搜索并清除障礙物。它們可以多次重印，或者在使用壽命結(jié)束時(shí)被無(wú)害處理，這有可能開(kāi)啟軟機(jī)器人的可持續(xù)未來(lái)。

介紹

將機(jī)器人技術(shù)嵌入我們的日常生活有望創(chuàng)造機(jī)器輔助的環(huán)境，支持醫(yī)療保健和康復(fù)，或增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)中交互的觸覺(jué)(一–3).然而，除了適合用戶和應(yīng)用的可定制設(shè)計(jì)之外，這種動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)與人的安全交互。由軟材料制成的機(jī)器人通過(guò)其適應(yīng)性的軟結(jié)構(gòu)(四).然而，在沒(méi)有任何傳感器反饋的情況下，軟機(jī)器人仍然依賴于操作員的觀察和干預(yù)。新的和快速變化的技術(shù)也導(dǎo)致了越來(lái)越多的技術(shù)廢物，在2019年每天累積超過(guò)10萬(wàn)噸(5).特別是軟機(jī)器人，由于軟材料的壽命有限，或者對(duì)于例如部署的機(jī)器人無(wú)法收回的應(yīng)用，需要在可持續(xù)性方面進(jìn)行改進(jìn)。因此，需要來(lái)自可再生、可生物降解和可回收資源的可持續(xù)的軟致動(dòng)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(jī)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(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器所需的高拉伸性和彈性，但是這些機(jī)器人通過(guò)傳統(tǒng)的模制技術(shù)進(jìn)行加工，該技術(shù)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?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)動(dòng)經(jīng)常被簡(jiǎn)化為單一的預(yù)定模式，并且實(shí)現(xiàn)了有限的基本感測(cè)能力。實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的任務(wù)需要先進(jìn)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(jī)器人幾何結(jié)構(gòu)與集成的傳感器設(shè)計(jì)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(dāng)甲基丙烯酸酯化時(shí)，允許基于光聚合的印刷(11).應(yīng)用范圍從用于組織工程的支架(12–15)到微型機(jī)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(xiě)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(jī)器人的快速成型對(duì)厘米級(jí)、高度可拉伸的致動(dòng)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(shù)的可持續(xù)性還需要有效地重復(fù)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(dǎo)傳感器的可持續(xù)3D打印軟致動(dòng)器。
（A)可生物降解的成分使軟機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了從搖籃到搖籃的設(shè)計(jì)，其中熱可逆性為多次使用和延長(zhǎng)壽命打開(kāi)了一個(gè)額外的子循環(huán)。（B)三腔氣動(dòng)執(zhí)行器，配有纖維增強(qiáng)材料和集成光學(xué)傳感器。傳感器檢測(cè)致動(dòng)器路徑上的障礙物，并允許移除物體。（C)當(dāng)浸入水中時(shí)，明膠致動(dòng)器和波導(dǎo)膨脹并溶解。在污水或堆肥中完全生物降解是可能的。
在查看器中打開(kāi)
 
在這里，我們介紹了集成傳感器網(wǎng)絡(luò)的3D打印軟致動(dòng)器的可持續(xù)材料方法、制造策略和設(shè)計(jì)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(guò)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(zhǎng)寬比大于3(高寬比)。打印的生物凝膠高度可拉伸到超過(guò)500%的極限應(yīng)變，并可通過(guò)重印五次直接重復(fù)使用。結(jié)合材料機(jī)械性能的改善，我們的制造策略使我們能夠?qū)崿F(xiàn)靈巧柔軟的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，能夠以高達(dá)74°的彎曲角度進(jìn)行全方位運(yùn)動(dòng)。受大自然的啟發(fā)，復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于所有形式的運(yùn)動(dòng)都是必不可少的，我們直接將基于可拉伸波導(dǎo)的光學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)與這些軟機(jī)器人執(zhí)行器相結(jié)合。這種組合實(shí)現(xiàn)了高精度的集成曲率、方向和力感測(cè)。通過(guò)結(jié)合我們的3D打印技術(shù)來(lái)打印主致動(dòng)器主體和波導(dǎo)，我們最大限度地減少了這種多功能設(shè)備的生產(chǎn)步驟。我們展示了機(jī)器人的能力，通過(guò)實(shí)施搜索和擦拭程序，使用其傳感功能來(lái)檢測(cè)和清除障礙物(圖1B).同時(shí)，印刷的生物凝膠可以容易地重復(fù)使用或處理，而沒(méi)有環(huán)境問(wèn)題，因?yàn)樗峭耆缮锝到獾?10)并在實(shí)際時(shí)間范圍內(nèi)溶于水(圖1C).超越了以前報(bào)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(dòng)器的更精細(xì)的特征和制造，同時(shí)，將材料的拉伸性增加了約140%。此外，無(wú)模具制造和材料可重復(fù)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(jī)器人的明膠基生物凝膠的3D打印。

 

 

結(jié)果

生物凝膠墨水的3D打印

在軟機(jī)器人應(yīng)用的工程過(guò)程中，軟的和高度可拉伸的材料是強(qiáng)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?gòu)U物的問(wèn)題，來(lái)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(yīng)用領(lǐng)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(shí)用設(shè)備所必需的機(jī)械穩(wěn)定性、可重復(fù)使用性或生物降解性。在這項(xiàng)工作中，我們使用以前報(bào)道的彈性但完全可降解的明膠基水凝膠(10).它們的可調(diào)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(luò)中引入甘油和糖漿，而檸檬酸的加入調(diào)節(jié)pH值以防止細(xì)菌生長(zhǎng)。這種組合物允許在污水中幾天內(nèi)進(jìn)行酶促降解(見(jiàn)圖S1 ),但具有較長(zhǎng)的保存期，并且在環(huán)境條件下超過(guò)1年的時(shí)間范圍內(nèi)機(jī)械性能幾乎不變。
為了在3D打印過(guò)程中擠出這些生物凝膠，我們使用了現(xiàn)有的糊料擠出機(jī)設(shè)計(jì)(25)并對(duì)其進(jìn)行了改造，以適應(yīng)生物凝膠印刷的需要。為此，我們將擠出機(jī)集成到Makerbot 2X(2009–2021 Makerbot Industries)3D打印機(jī)中，并實(shí)施了兩級(jí)加熱系統(tǒng)(圖2A)來(lái)分別控制儲(chǔ)槽和擠出點(diǎn)的溫度(圖S2)。與通常需要加熱構(gòu)建板的傳統(tǒng)FDM絲相反，通過(guò)冷卻印刷品以保持?jǐn)D出生物凝膠的形狀穩(wěn)定來(lái)加速凝膠化過(guò)程是至關(guān)重要的。這是通過(guò)將市場(chǎng)上可買到的空調(diào)系統(tǒng)連接到印刷室來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該空調(diào)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(shí)間保持在幾秒鐘內(nèi)(%3C10 s ),從而允許尺寸穩(wěn)定地印刷復(fù)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(zhì)生物凝膠制成。單個(gè)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(guò)程中的冷卻造成的。因此，相鄰行仍然分開(kāi)的最小行間距是0.5毫米(圖2E).填充印刷線的方向?qū)Σ牧闲阅艿挠绊懣梢院雎圆挥?jì)，這表明由于擠出過(guò)程，沒(méi)有誘導(dǎo)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(jí)加熱系統(tǒng)的擠壓方案。擠出時(shí)，冷氣流會(huì)加速凝膠化。（B)固體校準(zhǔn)立方體的打印。（C)壁厚0.8毫米的印花扭曲花瓶(D)軟結(jié)構(gòu)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(cè)試，從5毫米開(kāi)始，從左到右減小線間距。在右側(cè)，間距為0.5毫米的線仍然是分開(kāi)的，而間距為0.25毫米的線會(huì)形成融合線。（F)打印的零件可以通過(guò)加熱和重新打印材料來(lái)回收。（G)由于在環(huán)境條件下干燥，樣品的機(jī)械性能發(fā)生變化。誤差線:標(biāo)清n≥ 3個(gè)樣本。（H)在環(huán)境條件下儲(chǔ)存的樣品的楊氏模量隨時(shí)間的變化。誤差線:標(biāo)清n≥ 3個(gè)樣本。（我)由于連續(xù)的回收循環(huán)，機(jī)械性能的相對(duì)變化。誤差線:標(biāo)清n≥ 3個(gè)樣本。（J)由于連續(xù)加熱時(shí)明膠降解，機(jī)械性能的相對(duì)變化。（K)前兩個(gè)循環(huán)中100%應(yīng)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(biāo)清n= 3個(gè)樣本。
在查看器中打開(kāi)
 
生物凝膠的熱可逆性允許在隨后的印刷過(guò)程中直接重復(fù)使用。因此，通過(guò)重新加熱材料并打印新的材料(圖2F).我們研究了材料儲(chǔ)存時(shí)間、重復(fù)使用周期和加熱時(shí)間的影響，以深入了解制造過(guò)程中機(jī)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(yīng)變(圖2G)但隨后經(jīng)歷老化并變硬，拉伸性略有變化。24小時(shí)后，極限應(yīng)變變?yōu)?70%，這仍然大大超過(guò)模鑄生物凝膠的性能約140%(圖S4)。在環(huán)境條件下儲(chǔ)存時(shí)，凝膠的一小部分游離水蒸發(fā)，導(dǎo)致5天內(nèi)適度的10%重量損失(圖S5A)。在這一點(diǎn)上，達(dá)到了平衡，重量和機(jī)械性能已經(jīng)穩(wěn)定。該穩(wěn)定過(guò)程導(dǎo)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(guò)430%的極限應(yīng)變，并且在環(huán)境條件下儲(chǔ)存12天后能承受約2.2 MPa的極限應(yīng)力。我們注意到脫水引起的凝膠硬化可能影響機(jī)械響應(yīng)時(shí)間，并且在氣動(dòng)致動(dòng)器的情況下，對(duì)于相同的致動(dòng)狀態(tài)需要更高的壓力。通常，軟機(jī)器人應(yīng)用通常要求楊氏模量在0.1至10 MPa的范圍內(nèi)，極限應(yīng)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(guò)這些性能指標(biāo)。
在印刷部件的壽命結(jié)束時(shí)，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(duì)生物凝膠機(jī)械性能的影響(圖2I).該過(guò)程導(dǎo)致五個(gè)印刷循環(huán)后楊氏模量增加(圖S5B)，而極限應(yīng)變和極限應(yīng)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(dǎo)致進(jìn)一步印刷失敗。改變生物凝膠機(jī)械性能的另一個(gè)過(guò)程是溫度誘導(dǎo)的明膠降解，這發(fā)生在延長(zhǎng)的加熱持續(xù)時(shí)間(
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