【科研摘要】
響應於熱，pH和光等刺激信號而顯示出可逆的體積變化的刺激響應水凝膠已用於軟機器人，微流控技術，電子學和生物醫學外科工具中。儘管軟機器人技術的發展已得到廣泛擴展，但由於選擇性低，大多數外部觸發系統的實用性仍然有限。最近，韓國淑明女子大學Seung Hyun Song和ChangKyu Yoon教授團隊介紹了一種混合夾持器，該夾持器能夠利用超聲波能量開/關過程作作者部觸發系統進行預編程的形狀轉換，可在不可見和非選擇性環境中使用。此外，作者描述了通過引入氧化鐵（Fe2O3）鐵凝膠使柔性夾持器的磁運動。通過集成這些超聲波和電磁雙重控制系統，證明了柔性夾持器可以在水性迷宮環境中對生物鮭魚卵進行主動和安全的拾取和放置任務。作者希望這項研究可以為創建超聲響應形狀可編程和多功能智能軟機器人的進一步重要進展提供基礎。相關論文Untethered Actuation of Hybrid Hydrogel Gripper via Ultrasound剛剛發表在高分子頂刊美國化學會《ACS Macro Letters》上。
【圖文解析】
混合水凝膠夾持器的材料設計和幾何結構在圖1A中進行了描述。混合夾持器由三種不同類型的水凝膠組成：超聲響應性NIPAM凝膠，刺激性非響應性結構AAm凝膠和磁響應性鐵凝膠。夾持器的幾何形狀利用了基於超聲的內部NIPAM響應型凝膠（在超聲作用下發生溶脹）和基於外部AAm的結構響應型凝膠（在超聲作用下無體積變化）產生的雙壓電晶片彎曲致動。同樣，引入磁性感應鐵凝膠以控制抓具的磁性運動。具體選擇每種水凝膠組合物以實現預期的功能。首先，作者選擇基於NIPAM的水凝膠作為超聲驅動的熱敏基礎凝膠。基於NIPAM的水凝膠響應溫度顯示出高溶脹行為，這可以通過NIPAM通過聚合物鏈與溶劑之間的Flory-Huggins相互作用改變交聯密度來描述。
圖1.混合水凝膠柔性夾持器不受束縛的超聲驅動的示意圖。
其次，層狀矽酸鹽充當入射超聲的散射點（圖1B）。簡而言之，由於超聲引起的層狀矽酸鹽的振動消散在對溫度敏感的水凝膠中。然後，由於耗散而產生的熱量會觸發基於NIPAM的水凝膠的收縮。相反，當超聲波關閉時，基於NIPAM的水凝膠會膨脹直到溫度達到初始狀態。刺激性無反應性結構凝膠的組成選擇為基於丙烯醯胺（AAm）的水凝膠，與層狀矽酸鹽混合，其體積在傳入的超聲作用下保持不變，以提供結構支持和雙壓電晶片驅動（圖1）。最後，將磁性反應鐵凝膠，即負載有鐵磁微粒（Fe2O3）的丙烯醯胺凝膠物理地包裹在水凝膠網絡中，然後將其引入抓具中，從而獲得精確的操作和混合抓具的運動。基於丙烯醯胺的凝膠的使用可確保在混合夾具的反覆超聲響應形狀變化下，不同水凝膠之間的粘附力。
混合水凝膠夾持器是使用雙重生物3D列印技術製造的，該技術可提供易於使用的可編程路徑導向的增材製造方法。總體製造步驟和所得結構如圖2A–E所示。首先使用基於刺激的無反應AAm結構膠（圖2B）列印了夾具的外部。隨後，作者使用基於NIPAM的超聲響應凝膠與基於AAm的結構凝膠精確對齊，印刷了夾具的內部（圖2C，D）。印刷的順序由凝膠的相對粘度決定。由於基於AAm的凝膠比基於NIPAM的凝膠更粘，因此首先列印基於AAm的凝膠，然後再列印基於NIPAM的凝膠，以在列印過程中保持夾具的結構完整性。混合水凝膠夾具的3D列印後，作者將基於AAm的鐵凝膠注入井中（圖2E）。由於由於鐵磁性微粒的嵌入而使紫外線滲透減少，因此鐵凝膠被化學交聯並與周圍的孔（即結構凝膠）共價鍵合而不會分層。鐵凝膠完全聚合後，將夾具的3D列印部分在UV腔（365 nm）內進行光固化。最後，將整個結構從基材上釋放出來，並浸泡在去離子水中至少12小時，直到水凝膠體系達到平衡狀態。
圖2.具有可印刷性和彎曲角度特性的製造過程和3D列印的混合水凝膠夾持器。
雖然已經證明了NIPAM和AAm水凝膠的直接墨水書寫效果，但作者必須針對特定的墨水成分（即NIPAM，pNIPAM，交聯劑，光引發劑和鋰皂石的混合比例）優化列印條件（例如噴嘴直徑，列印壓力等）。為了獲得可靠的印刷條件，首先針對不同的噴嘴直徑優化了基於NIPAM的凝膠和基於AAm的凝膠的印刷壓力（圖2F，G）。如圖2F，G所示，不同的印刷條件源於基於AAm的墨水和基於NIPAM的墨水的不同的粘彈性。作者觀察到基於AAm的墨水的可印刷性在0.21 mm至0.41 mm的噴嘴直徑之間，相應的印刷壓力在15至45 kPa之間（圖2F）。對於基於NIPAM的油墨，在噴嘴直徑為0.21至0.41 mm的範圍內觀察到精確的印刷壓力範圍（10–30 kPa）（圖2G）。圖2F，G中的插圖根據不同的印刷壓力和噴嘴直徑條件表示3D列印的薄方形結構。
為了研究混合式夾具的不受束縛的超聲自致動，作者接下來表徵了在低強度超聲輻射（<300 mW/cm2）下混合式夾具的形狀轉換和溫度變化。圖3A和B分別顯示了超聲波輻照之前和之後的夾具的實驗照片和紅外熱圖像。相應的紅外熱圖像清楚地顯示了夾具的溫度升高；由於圖3A中的溫度與周圍水溫相同，因此最初在圖3A中的IR攝像機（右）中看不到抓手（抓手的輪廓以白色虛線顯示）。超聲輻照後，由於在超聲輻照下其表面溫度顯著升高，抓爪變得清晰可見（圖3B，右）。在超聲輻射下，夾具的尖端到尖端的距離（圖3A，B中的黃色實線表示）是時間的函數（圖3C）。筆尖之間的距離從打開狀態（筆尖到筆尖的距離> 10 mm）到關閉狀態（筆尖到筆尖的距離<3 mm）呈指數減小，時間常數為46分鐘。
圖3.超聲下混合夾持器的致動。
刺激響應軟機器人最有前途的應用之一是智能執行器/操縱器，它可以在動態混亂的環境中通過外部不受約束的控制項選擇性地拾取和放置目標。在這方面，作者將混合水凝膠抓爪應用到完成抓放任務中，其中抓爪必須在迷宮中導航，以通過將不受束縛的超聲波致動和磁運動控制相結合來將鮭魚卵從迷宮中移出（圖4 ）。如圖4A所示，混合夾持器通過磁性引導（i）接近目標，通過超聲開啟模式（ii）拾取目標，通過磁性引導再次將目標運輸到特定位置（iii），然後釋放目標 通過超聲關閉模式。
圖4.混合夾持器的拾取和放置任務。
為了成功地將鮭魚卵從迷宮中送出，除了通過超聲波觸發的從打開到關閉的形狀轉換之外，夾持器還必須能夠對運動（包括旋轉，方向改變和線性運動）進行不受限制的控制混合抓手的技巧。最初，抓手以開腿狀態放置在迷宮的入口處（圖4B）。然後，在外部磁鐵的引導下，抓爪到達位於迷宮中心的鮭魚卵（圖4C），並由低強度超聲驅動，抓住鮭魚卵（圖4D）。最終，抓緊鮭魚卵將抓爪從迷宮中引出，然後當腿恢復到打開狀態時將其從迷宮中釋放出來（圖4E–G）。作者注意到，由於混合式抓爪的順應性，鮭魚子的外觀在實驗過程中沒有變化。 此外，通過取放演示，我們清楚地表明：（1）抓具的運動控制，包括抓具的旋轉和線性運動；以及（2）通過低強度超聲對抓具進行無限制的致動。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acsmacrolett.0c00702
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