顆粒在線訊：來自奧地利的約翰開普勒林茨大學軟材料實驗室的研究者們利用熔融沉積3D打印將完全可生物降解的明膠水凝膠(生物凝膠)墨水打印成具有尺寸穩(wěn)定的復雜物體，可用于軟體機器人領域。該研究已發(fā)表在Science Robotics期刊上（影響因子：23.748）

軟體機器人是一種新型柔軟機器人，能夠適應各種非結構化環(huán)境，與人類的交互也更安全。但制作軟體機器人的材料往往是不可生物降解的，或者來自不可再生的資源，這在一定程度上破壞了生態(tài)環(huán)境。此外，傳統(tǒng)的制造方法，如模具鑄造，不適合復現(xiàn)大自然的復雜性。因此，在開發(fā)新的制造工藝的同時，需要考慮可持續(xù)發(fā)展的概念。

該研究報告了一種基于熔融沉積的3D打印工藝，該工藝能夠將完全可生物降解的明膠水凝膠(生物凝膠)墨水打印成尺寸穩(wěn)定的復雜物體。這一工藝能夠快速、經濟且高效地制作具有彈性的軟機器人的原型，該凝膠可以伸展到原始長度的六倍，并且該技術具有零浪費回收系統(tǒng)。本研究制作了可快速響應(不到一秒)的執(zhí)行全方位運動的氣動致動器，該致動器具有3D打印的可伸縮波導（波導：用來定向引導電磁波的結構），能夠進行本體和外部感知。經過動態(tài)實時控制，這些軟體設備能夠自動檢測和清除障礙物。它們可以被重復打印，或者經過無害化處理，這對軟機器人的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

具有波導傳感器的3D打印軟執(zhí)行器。(A)生物可降解成分能夠實現(xiàn)軟機器人“從搖籃到搖籃“（可持續(xù)化）的設計(B)帶有纖維增強和集成光學傳感器的三腔氣動執(zhí)行器。傳感器檢測致動器路徑上的障礙物，并允許移動物體。(C)明膠致動器和波導浸泡在水中時會膨脹和溶解。

用于軟體機器人的生物凝膠的3D打印示意圖

生物凝膠的3D打印

在軟體機器人中，必須使柔軟且高度可伸展的材料。盡管聚二甲基硅氧烷等有機硅彈性體能大量增殖，但它們是不可生物降解的，而且一旦交聯(lián)，就不能再整形或重復使用。考慮到資源的可持續(xù)性和廢物的減少，來自生物聚合物(如明膠)、海藻酸鹽或纖維素和合成聚酯(如聚癸二酸甘油)的彈性材料已成為許多應用領域的可生物降解、可再生或可回收解決方案的首選材料。

本研究中，研究人員使用了具有彈性但完全可降解的明膠水凝膠，其彈性模量具有可調性（0.3~3 MPa)和高延伸性(>300%)。為了在3D打印過程中擠出這些生物凝膠，研究人員使用了現(xiàn)有的擠出機設備，并對其進行了修改以適應生物凝膠打印的需要。與通常需要加熱構建板的傳統(tǒng)FDM制造不同，本實驗最重要的是通過冷卻打印產品來加速凝膠制造過程，以保持擠出生物凝膠的形狀穩(wěn)定。研究人員將空調系統(tǒng)連接到打印腔以進行降溫，該系統(tǒng)可以將打印室溫度降低到約10°到15°C。打印后，樣品立即變軟(楊氏模量為0.27 MPa)，并可伸展到約507%的極限應變，但隨后樣品硬化，延展性略有變化。24小時后，最終應變變?yōu)?70％，這仍然超過墨竹生物凝膠的應變性能（約140％）生物凝膠在環(huán)境條件下存放12天后，仍可伸長到430%以上的極限應變，并承受約2.2 MPa的極限應力。比較打印的生物凝膠和模鑄的生物凝膠時，研究人員發(fā)現(xiàn)3D打印的樣品具有更好的性能，達到了更高的延伸性和極限應力。

明膠基生物凝膠的3D打印。（A）兩階段加熱系統(tǒng)的擠出方案。擠出后，通過冷氣流加速凝膠化。（B） 打印固體校準立方體。（C） 打印壁厚為0.8mm的扭曲瓶。（D）軟結構和低楊氏模量允許可逆變形。（E）分辨率測試，（F） 打印部件可以通過加熱和重復打印材料來回收利用。（G） 由于在環(huán)境條件下干燥而改變的機械性能。（H） 樣品的楊氏模量隨時間的變化（J） 連續(xù)加熱時明膠降解引起的機械性能的相對變化。（K） 生物凝膠樣品在前兩個循環(huán)中，100%應變下的滯后現(xiàn)象。（L)直接打印在不同基材上的生物凝膠的剝離能。

可伸縮波導傳感器的打印

隨著人們對設備功能的需求日益增長，軟機器人需要具有自身和外部感知問題，以實現(xiàn)受控導航和與環(huán)境的交互?？缮煺共▽Э梢杂脕斫鉀Q上述問題。特別是，有損耗波導(無論是否有包層)在拉伸時對長度變化表現(xiàn)出很高的敏感度。它們可以通過各種材料實現(xiàn)，如有機硅彈性體、紫外光固化樹脂或水凝膠。其中，明膠基材具有熱塑性，這種特性允許其通過熔融擠壓大規(guī)模制造波導，或者通過3D打印快速生產波導。本研究中，研究人員直接從生物凝膠墨水中打印沒有包層的波導。

3D打印全方位執(zhí)行器

到目前為止，軟體致動器已經應用在手術工具、康復設備、抓爪、行走和游泳機器人等工具或設備中，在本研究中，研究人員使用3D打印技術，打印了一個可生物降解的氣動驅動的三腔執(zhí)行器(直徑16.6mm，高60mm。單獨充氣腔的平行布置允許使用單個壓力源和三個電空壓力調節(jié)器進行全方位驅動。

多向自感致動器的性能。(A)波導傳感器放置在致動器上，并在頂部相互交叉，以檢測彎曲狀態(tài)和觸摸輸入。(B)致動器在加壓三個腔室之一時的彎曲角的階躍響應。 (C)所有三個腔室的彎曲角與壓力特性的關系。(D)從波導的強度圖推斷致動器的彎曲方向。當腔體加壓時，在最近的波導中強度下降最大。(E)當觸摸致動器的尖端(圖中的灰色區(qū)域)時，所有三個波導上的強度都下降。

小結：

研究人員提出了一種由可持續(xù)生物材料制成的3D打印的全方位軟驅動器，它具有通過3D打印的軟光波導實現(xiàn)多方向傳感的功能。多功能和高精度的傳感器能夠感知關于執(zhí)行器彎曲狀態(tài)和其周圍物體。這使得軟機器人自主地定位其附近的障礙物，并進行移除。研究人員同時也注意到波導的信號輸出可能會有所不同。根據(jù)操作的不同，仍然需要區(qū)分不同的刺激(例如，彎曲和觸摸)。

本研究中的機器人的主要結構是完全可生物降解的。此外，由于生物凝膠的水溶性，可以用一種簡單的方法將機器人與其不可生物降解的控制部分分開，從而允許凝膠的重復使用。研究人員還發(fā)現(xiàn)生物凝膠最多可重復打印五次，可保持初始性能指標的70%以上。通過生物凝膠的再水化來恢復可打印性，并通過提高打印速度來降低打印溫度或縮短加熱周期，可以實現(xiàn)更多的重復印刷周期。綜上，本研究對軟機器人的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

注：本文內容呈現(xiàn)略有調整，若需可以查看原文。

改編原文：Heiden A, Preninger D,Lehner L, et al. 3D printing of resilient biogels for omnidirectional andexteroceptive soft actuators[J]. Science Robotics, 2022, 7(63): eabk2119.

DOI:10.1126/scirobotics.abk2119