可編程水凝膠:造生物機器人!

2021-01-16 每日萊智能餐飲

智能水凝膠,一種可編程的材料。這款新材料實在令人心動。在當下機器人製造遇到諸多關口之際,它無疑會提供一個重要的機器人研發方向。鏈科技小編今日關注此事。據《自然·通信》報導,美國德克薩斯大學阿靈頓分校(UTA)研究人員開發出一種新方法,可對二維(2D)水凝膠進行編程,使其以空間和時間可控的方式進行擴展和收縮,形成複雜的3D形狀,並實現運動。該技術潛在應用包括仿生柔性機器人、人造肌肉(柔性材料可改變其形狀或像人體肌肉那樣響應外部信號而移動)以及可編程的物質。

讓材料本身充滿智能,這是新材料研究的重大課題,同時也是人工智慧必然的發展趨勢。在這方面突破了,未來的機器人無論大腦、身形,還是運動能力,都才能接近真正的人類。UTA團隊使用溫度敏感、具有局部擴張和收縮率的水凝膠,並利用數字光4D(3D加時間)列印方法對水凝膠進行空間編程,使其響應溫度變化膨脹或收縮。通過這種方法,研究人員可在一個步驟中同時列印多個3D結構,然後使用數學方法對結構的收縮和膨脹進行編程,形成3D形狀(如馬鞍狀、皺褶和錐體)及其方向。研究人員還開發了基於模塊化概念的設計規則,以創建更複雜的結構,包括具有編程順序運動的仿生結構,這使得形狀更為動態以便在空間中移動。研究人員還可控制結構改變形狀的速度,從而創建出更為複雜的類似於魚兒水中遊的連續運動。研究人員稱,與傳統的增材製造不同,數字光4D列印方法允許同時列印多個定製設計的3D結構。最重要的是,該方法非常快,列印時間不到60秒,因此具有高度可擴展性。

鏈科技成果庫項目:一種魚藤酮微水凝膠控釋劑及其製備方法。本發明提供了一種魚藤酮微水凝膠控釋劑,由如下組分按照重量百分比組成:魚藤酮原藥0.03%~1.8%;O-羧甲基殼聚糖10%~40%;聚乙烯醇P-124:10%~20%;戊二醛0.1%~0.5%;乳化劑0.1%~0.5%,所述魚藤酮原藥中魚藤酮的質量含量為10%~99%。本發明具有抗環境幹擾能力強,持效期長,穩定性及防蟲效果好,製備工藝簡單,生產成本低等優點。

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    【背景摘要】刺激響應的形狀轉變水凝膠在包括軟機器人和微流控在內的各種工程應用中顯示出巨大潛力。儘管在設計具有更複雜的形狀變形行為的水凝膠方面取得了重大進展,但尚未實現的最終目標是可編程可逆形狀轉換。在重複循環中,水含量在15°C的78%和45°C的72%之間僅略有變化(圖2c)。可編程性使水凝膠可以在各種形狀之間可逆移動(圖2d–g)。
  • 水凝膠可編程化智能變形研究取得進展
    水凝膠由於其軟、溼特性,長期以來被認為是智能仿生的理想材料之一,並被用於軟體機器人、組織工程及藥物遞送等諸多領域。目前,水凝膠驅動器實現智能變形的方式主要有形狀記憶與驅動兩種,形狀記憶水凝膠需在外力的作用下變形,並在外界刺激下通過可逆作用的形成固定其臨時形狀;而驅動水凝膠則可在外界的刺激下自發產生形變。傳統的水凝膠驅動器由於使用模板法製備,因此只能在外界的刺激下實現簡單的彎曲形變。
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    它可以在超高工作密度(15.3 kJ/m3)時迅速產生高收縮力(40 kPa),性能優於目前的水凝膠(0.01 kJ/m3)甚至是生物肌肉(8 kJ/m3)。該證明的彈性能量存儲和釋放方法賦予水凝膠以彈性-塑性可切換性,以完全可逆和可編程的方式具有多穩態變形性以及各向異性或各向同性變形。
  • 我國科學家在水凝膠可編程化智能變形領域取得進展
    因此實現水凝膠驅動器的可編程、多維度複雜變形對於水凝膠在軟體機器人等領域的應用具有重大意義。近年來,中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料課題組研究員陳濤、張佳瑋一直致力於智能變形水凝膠研究。
  • 寧波材料所陳濤、張佳瑋:在水凝膠可編程化智能變形領域取得進展
    水凝膠由於其軟、溼特性,長期以來被認為是智能仿生的理想材料之一,並被用於軟體機器人、組織工程及藥物遞送等諸多領域。目前,水凝膠驅動器實現智能變形的方式主要有形狀記憶與驅動兩種,形狀記憶水凝膠需在外力的作用下變形,並在外界刺激下通過可逆作用的形成固定其臨時形狀;而驅動水凝膠則可在外界的刺激下自發產生形變。傳統的水凝膠驅動器由於使用模板法製備,因此只能在外界的刺激下實現簡單的彎曲形變。
  • 《材料今天物理》水凝膠與軟機器人
    隨著對人機界面的關注日益增長,軟機器人技術引起了人們的極大興趣。軟機器人具有多種優勢,包括順從性和安全性,它們有助於與人進行無縫交互。為了促進該領域的進步,需要符合標準的材料。水凝膠具有出色的特性,包括高拉伸性,透明性,離子傳導性和生物相容性,因此有望成為軟機器人的順應材料。此外,水凝膠基於對刺激的獨特響應性,為軟機器人提供了創新的功能。韓國首爾國立大學的J.
  • 西北大學打造會跳霹靂舞的光碟機動水凝膠機器人
    美國西北大學(Northwestern University)研究人員打造了一臺外形僅10美分硬幣大小,且看起來像海底動物的機器人。據悉,這個柔軟的機器人幾乎90%的重量是水 -- 它有一個水凝膠的外觀,並且能夠通過自身鎳骨架改變自己的形狀。
  • 水凝膠,又一篇Science子刊!
    生物材料學術QQ群:1067866501儘管刺激響應型水凝膠具有很大的變形能力,但當用作致動器、智能開關和人造肌肉時,由於滲透壓驅動的傳遞力(~2 kPa)和速度較低,其功率密度較低近日,受到許多生物在跳躍過程中能量轉換機制的啟發,中科院蘭州化物所周峰研究員,美國加州大學洛杉磯分校Ximin He報導了通過在聚合物網絡中儲存和釋放彈性勢能,設計了一種彈性驅動的強收縮水凝膠。
  • 能源催化:《JACS》燃料驅動循環反應的可編程水凝膠
    同時,很少有研究表明在燃料驅動的反應循環中使用生物合成催化劑來控制組裝過程中的超分子的順序和性能。在非平衡系統,催化劑對(預)燃料釋放和活性進行編程可精確的控制動力學,但因為非常困難在反應循環中使用催化劑來產生燃料構建基塊,催化控制合成的非平衡系統實際案例少之又少。
  • 法國斯特拉斯堡大學《JACS》燃料驅動循環反應的可編程水凝膠
    同時,很少有研究表明在燃料驅動的反應循環中使用生物合成催化劑來控制組裝過程中的超分子的順序和性能。在非平衡系統,催化劑對(預)燃料釋放和活性進行編程可精確的控制動力學,但因為非常困難在反應循環中使用催化劑來產生燃料構建基塊,催化控制合成的非平衡系統實際案例少之又少。
  • 用於3D列印可伸展、高解析度、生物相容性的水凝膠
    【PConline 資訊】水凝膠是聚合物鏈的親水性網絡,可以保留大量的水。它們通常用於從軟機器人到生物列印等各種應用,並且已證明可用於其他需要大量變形的應用,如透明觸摸面板。然而,水凝膠的應用受到其製造方法的限制,傳統上它們依賴於模製和鑄造。
  • 浙江大學吳子良/鄭強NIR光調節梯度結構和可編程機械性能的水凝膠
    例如,海洋貽貝的深處具有典型的梯度結構,可在其軟器官和堅硬的環境(例如巖石)之間提供牢固的附著。貝類足絲的梯度結構和機械性能歸因於剛性絲素蛋白樣和順應性彈性蛋白樣蛋白的梯度分布。在人體中,許多組織(例如血管,皮膚和軟骨)由各種生物大分子和流體組成,從分子到宏觀層次均以複雜的梯度結構組織。
  • 堪比生物組織的多功能自修復水凝膠
    澳大利亞國立大學化學家Luke Connal解釋說:「採用我們在水凝膠中添加的特殊化學物質,它可以像人類的皮膚一樣自我修復。水凝膠柔軟易碎,但我們的材料如此堅固,可以承拉重物,可以像人體肌肉一樣變形。」
  • 浙大吳子良/南科大洪偉《自然·通訊》:讓水凝膠軟體機器人在開放...
    Chemie.的蠕動機器人嗎?像蚯蚓一樣的水凝膠在光的照射下可以一節一節地拉長自己,在管道內實現蠕蟲樣的運動(《德國應化》仿蚯蚓定向蠕動爬行的各向異性水凝膠致動器)。儘管目前我們也開發出了各式各樣的水凝膠軟體機器人,但是想要讓它們媲美自然界千萬年進化的生物運動模式依然是一個挑戰。目前的軟體機器人並不能實現在地面開放空間內的全向、快速運動。
  • 港媒:科學家研發出彩色雙層水凝膠 讓機器人膚色不再蒼白
    據香港《南華早報》5月23日報導,內地材料研究員在美國《國家科學院學報》網站5月23日登載的一篇論文中寫道,他們創建了世界上首款彩色的自動修復水凝膠,這或許可以解決機器人膚色過淺的問題。報導稱,水凝膠是一種能夠吸收大量水分子的聚合體,給了它像天然組織一樣的彈性和力量。一些水凝膠在被撕裂後通過閉合「傷口」可以自我痊癒,這就是它們被視為製作人工肌肉和皮膚的理想材料的原因。
  • 南開郭瑋煒《先進材料》DNA水/微凝膠在生物傳感和醫學的應用
    【前沿背景】DNA水凝膠利用了功能性DNA圖案的獨特特性,例如特異性分子識別,可編程和在各種基於DNA的響應材料中,DNA水凝膠和大小從納米到微米的DNA水凝膠(稱為DNA微凝膠)由於其在生物傳感和生物醫學應用中的巨大潛力而引起了特別的研究興趣。水凝膠是含有大量水的3D交聯親水性聚合物網絡,構造響應性聚合物主鏈或響應性交聯單元是響應性水凝膠構造中的主要問題。要構建響應性DNA水凝膠,可將功能性DNA結構用作刺激響應單元或作為水凝膠的交聯劑/骨架,或者將其捕獲或修飾在聚合物水凝膠中。
  • 南開大學郭瑋煒《先進材料》DNA水/微凝膠在生物傳感和醫學的應用
    【前沿背景】DNA水凝膠利用了功能性DNA圖案的獨特特性,例如特異性分子識別,可編程和高精度組裝,多功能性和出色的生物相容性,在過去的二十年中吸引了越來越多的研究興趣,在各種基於DNA的響應材料中,DNA水凝膠和大小從納米到微米的DNA水凝膠(稱為DNA微凝膠)由於其在生物傳感和生物醫學應用中的巨大潛力而引起了特別的研究興趣。水凝膠是含有大量水的3D交聯親水性聚合物網絡,構造響應性聚合物主鏈或響應性交聯單元是響應性水凝膠構造中的主要問題。要構建響應性DNA水凝膠,可將功能性DNA結構用作刺激響應單元或作為水凝膠的交聯劑/骨架,或者將其捕獲或修飾在聚合物水凝膠中。
  • 水凝膠生物傳感器:可用於疫苗的可植入納米技術?
    水凝膠生物傳感器(一種可植入的納米技術)可能會用於即將推出的COVID疫苗中,以監控您的身體活動美國國防部和比爾及梅琳達·蓋茨基金會已與矽谷的Profusa合作,開發了一種由水凝膠製成的納米技術(類似於軟性隱形眼鏡),該技術可通過以下方式注射並植入皮膚下:疫苗作為運送系統。
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    該文演示了一些kirigami設計用於複合水凝膠片材的可編程,多穩態3D配置。通過光刻聚合,可以製造穿孔的複合水凝膠片,其中在剛性和被動水凝膠框架中對柔軟的活性水凝膠條進行構圖。當浸入水中時,由於溶脹不匹配,膠條彎曲到平面外。
  • 《Adv.Mater.》浙大吳子良團隊Kirigami設計多開關水凝膠智能材料
    該文演示了一些kirigami設計用於複合水凝膠片材的可編程,多穩態3D配置。通過光刻聚合,可以製造穿孔的複合水凝膠片,其中在剛性和被動水凝膠框架中對柔軟的活性水凝膠條進行構圖。通過控制每個條的屈曲方向,可以在單個複合水凝膠中獲得多種構型。也可以通過使用分層設計的摺紙結構獲得多層配置。通過利用多層凝膠配置來設計電路的多觸點開關。此外,通過在kirigami設計中引入手性來實現旋轉模式。kirigami結構針對可編程變形的通用設計應適用於其他智能材料,從而有望應用於生物醫學設備和柔性電子產品。