东华大学游正伟团队:具有高度灵活性的三维运动仿生机器人

发布日期:2022-11-18

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智能机器人的快速发展必将给人类的日常生活带来一场革命。随着他们与复杂操作环境融合的要求越来越高,柔性和可变形机器人的发展变得至关重要。然而,现有的机器人通常需要刚性的电机泵来提供能量,并限制了其对环境的适应性。全软体机器人由于其优越的适应性和友好的人机界面,已经引起了人们的极大关注。已经报道了具有不同类型运动的水生软体机器人,如爬行、跳跃和游泳。然而,所报道的三维运动集中在单一相位上,要么是液体,要么是空气。没有报道与液体-空气界面有关。由于不平衡的机械环境,要在液气两相界面实现三维运动(X、Y和Z轴)仍然是一个艰巨的挑战。

 

 

东华大学游正伟教授团队受半月板攀爬甲虫幼虫Pyrrhalta的启发,提出了三相(液-固-空气)接触线的机制,以应对上述挑战。一个基于光敏液晶弹性体/碳纳米管复合材料的3D打印的全软体机器人(名为larvobot)被开发出来。此机器人具有可重复的可编程变形和高自由度的运动能力,可以在液气界面的三维运动,包括扭转和滚动。通过分析幼虫机器人沿固体-水面的力学原理,建立了运动方程。同时,利用ANSYS计算应力分布,这与推测的结果相吻合。此外,软体机器人在精确的时空控制下由光远程驱动,这为应用提供了巨大优势,作者展示了软体机器人在封闭管道内的可控运动,这可用于药物输送和智能运输。相关成果以“Meniscus-Climbing System Inspired 3D Printed Fully Soft Robotics with Highly Flexible Three-Dimensional Locomotion at the Liquid–Air Interface”为题发表在ACS Nano上。第一作者为王洋和管清宝副研究员。

 

 

可光聚合的主链液晶低聚物是由反应性中间物和胺连接物通过aza-Michael加成法合成的(图1b),它可以最大限度地提高潜在的致动应变。采用无溶剂基质来拉长LCE分子来最大限度地减少干燥过程中溶剂损失引起的体积变化和残余应力。在紫外光照射下,LCE的交联网络是通过3D打印过程后从活性丙烯酸酯端基中获得(图1a),这有利于保留程序化的中子排列。具有高光热转换效率和对近红外敏感的CNTs被用作关键部件,赋予LCE/CNTs复合材料精确的远程控制,并通过光实现方便和持续的能量供应。

 

图1:3D打印LCE/CNTs larvobot的设计

 

随着1 wt% CNTs的加入,LCE/CNTs条带的表面温度在0.69秒内达到约91℃,并能在不到8秒内从25℃上升到~260℃(图2a)。LCE/CNTs墨水可直接写墨打印(图1a),在向列相内,墨水具有剪切稀化特性,墨水的粘度在 50-60°C 时出现了急剧的下降(图 2b)。为了使用直接写墨打印的长丝具有高保真的几何形状,打印温度被设定为50℃,所以LCE/CNTs墨水拥有及时的剪切稀化反应和合适的粘度。单轴印刷的LCE条显示了典型的各向异性的光学特性(图2c)。不同印刷速度的LCE条的取向程度用X射线衍射法进行了表征。结果显示,在12mm/s的印刷速度下,带材可以保持适当的形状和高的取向度(图2d)。这一事实说明从印刷注射器中挤出的LCE/CNT很容易使中间物质沿着编程的印刷路径对齐。为了了解全软机器人在两相界面上的驱动,作者还研究了由双层独立式LCE / CNTs条带组成的幼虫在空气中的光向性行为。通过打开和关闭NIR光,最初的扁平条带分别可以瞬间向上和向下弯曲(图1c)。

 

图2:LCE/CNTs的表征

 

除了条状的软体机器人,作者还印制了更复杂的结构。首先,LCE/CNTs软体机器人由四部分组成,具有不同的长丝方向,沿同一平面打印。上部和下部的灯丝倾斜了±45°。当+45°的部分被近红外光照射时,LCE/CNTs执行器向右旋转,反之亦然(图3a-b)。在近红外光照射下,由六个花瓣组成的、带有阿基米德螺旋方向的花丝的花状机器人正在绽放(图3c-d)。一个像孩子一样的LCE/CNTs全软机器人被打印出来,它可以随着近红外光的运动而跳舞(图3e-f)。图3g-h显示了一个网状的LCE/CNTs全软体机器人,其分子方向是通过直接书写墨水来控制的。该网状全软机器人由双层丝组成,一层的方向与另一层垂直甚至相反。与整个薄膜的旋转或弯曲不同,这种网状全软机器人在X-Y平面上表现出由近红外光远程控制的定点收缩。

 

图3.基于空气中LCE/CNT的全软机器人的可编程空间运动

 

随后,作者探索了方向控制和推进的机理,并尝试了力学分析(图4d)。在近红外光照射下,实现了幼虫机器人的自由泳。幼虫机器人随时间推移的实际位移和角速度如图4 g-h所示,这证实了图4c中描述的模型。值得一提的是,在1s内暴露于NIR光后立即开始运动,这与空气中的光热驱动一致(图4f)。

 

在定向光暴露时,蜘蛛状全软机器人在液-空气界面的运动如图4j所示。当近红外光投射到远离蜘蛛状软机器人几何中心的左腿时,暴露部位的温度达到了向列到各向同性的过渡点(TN-I),并产生向光的弯曲。因此,蜘蛛状软机器人上的力失衡,使其右转。同样,当NIR光照射到右侧时,蜘蛛状的软机器人向左转。当左右轮流照射时,机器人会直线向前移动而不是转弯。除了二维运动外,基于LCE/CNTs的幼虫机器人还表现出在液-空气界面处的三维运动能力。作者还打印了一个较小的larvobot,放置在直径为15毫米的封闭玻璃管中,由于光线的穿透,身体可以自由旋转,并在3.5秒内旋转360°(图4i)。

 

图4. larvobot机器人的机械分析

 

为了理解软机器人在液-空气界面的运动,通过沿三相接触线改变角度来诱导表面张力差,从而建立了运动机制。在此过程中,幼虫的运动由浮力Fb和表面张力FT (图4b)控制。当近红外光照射在幼虫机器人上时,该过程可分为坠落、游泳和离开。如图5所示a(i和iv),力(fL)的Larvobot在落下和离开的某个时刻接近平衡,这与图4e中的分析相似。在游泳过程中(图5a),暴露于近红外光时会产生幼虫机器人的各种变形,导致表面张力和水平面之间的角度和长度可变,这主要归因于超出半月板攀爬甲虫幼虫Pyrrhalta的内在运动的三维运动(图1d和图5b)

 

作者又进一步论证了三相接触线的机理。随着沿接触线的倾斜度变化,FT运动方向增加,这使得幼虫机器人游得比以前更快。矢量图和速度的nephogram在计算域中给出(图5c-d)。幼虫机器人的横向毛细管力在被光照射之前沿三相接触线均匀分布。照射后,幼虫的力分布主要集中在照射区域(图5e)。事实证明,幼虫在液-空气界面处的多维运动是由表面张力的差异引起的,这与力学分析一致。

 

图5.在 larvobot 的三维卷起中进行运动学分析和有限元模拟

 

小结:综上所述,全软机器人在液-空气界面的多模运动是通过构建模仿半月板攀爬甲虫幼虫Pyrrhalta的三相接触线差分来实现的。功能性LCE / CNTs复合材料与3D打印技术相结合,可实现所得结构的高度自由度和可编程运动,甚至在液 - 空气界面处超越天然甲虫幼虫Pyrrhalta的三维卷起。此外,光热材料通过简单的光照射实现时空可控的运动和连续的能量供应。通过结合各种功能填充物、编程方向、图案和三维结构,可以进一步改变运动。这项工作中开发的设计原理和材料将激发下一代功能性软机器人的灵感。

 

作者及团队简介

 

 

游正伟教授长期从事弹性体材料研制及其在生物医学和生物电子领域的应用。建立了酸诱导环氧开环聚合反应(Biomaterials 2010, 31, 3129; Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 28;),高效制备了一系列新型的功能化、生物活性的可降解聚酯类弹性体(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 9590; ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20591; J. Mater. Chem.B, 2016, 4, 2090; J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 123; Acta Biomater. 2019, 539, 351);发展了基于肟氨酯基团的新的动态键体系,研制了自愈合多功能聚氨酯类弹性体(Adv. Mater. 2019, 31, 1901402; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901058; Mater. Chem. Front2019, 3, 1833);通过工艺、设备、策略的创新,解决了3D打印中的一系列瓶颈问题,实现了包括上述热固性弹性体在内不易加工材料的3D打印(Mater. Horiz., 2019, 6, 394),构筑了常规3D打印难于获得仿生血管网络等三维精细结构(Mater. Horiz. 2019, 6, 1197);进而考察上述材料和加工技术在心肌(Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1900065)、血管(Biomaterials 2016, 76, 359; Acta Biomater. 2019, 97, 321)、气管(Sci. China Mater. 2019, 62, 1910)、子宫(Adv. Healthc. Mater.2019, 8, 1801455)、和骨(J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 2468)等组织再生和可穿戴电子(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805108; Nat. Commun.DOI: 10.1038/s41467-020-14446-2)等领域的应用。近期,针对磅礴兴起的可拉伸电子器件的需求,该团队将研究拓展到弹性凝胶材料领域,研制了基于水凝胶的自愈合(J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13948)和基于离子凝胶的高拉伸、高透明、高稳定,适用于宽温度范围的摩擦纳米发电机(Nano Energy 2019, 63, 103847),近期研制了全新一代的导电纤维——高拉伸透明的有机水凝胶纤维,较水凝胶纤维保水抗冻性能显著提升,这些工作在人体交互的可穿戴电子设备、生物医学、人工智能等领域具有良好的应用前景。

 

摩方精密简介

摩方精密作为微纳3D打印的先行者和领导者,拥有全球领先的超高精度打印系统,其面投影微立体光刻(PμSL)技术可应用于精密电子器件、医疗器械、微流控、微机械等众多科研领域。在三维复杂结构微加工领域,摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。针对客户在新产品开发中可能出现的工艺和材料难题,摩方将持续提供简易高效的技术支持方案。

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