《ACS Nano》：3D打印全軟機器人，液-氣界面也能靈活運動

來源：EngineeringForLife  

導(dǎo)讀：在液-空氣界面的軟機器人運動對于智能社會變得越來越重要。然而，軟機器人的現(xiàn)有運動僅限于兩個維度。由于機械環(huán)境不平衡，在液-空氣兩相界面實現(xiàn)三維運動（X、Y和Z軸）仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

受半月板攀爬甲蟲幼蟲Pyrrhalta的啟發(fā)，來自東華大學(xué)的游正偉教授團隊提出了三相（液-固-空氣）接觸線的機制，以應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。相應(yīng)的基于光響應(yīng)液晶彈性體/碳納米管復(fù)合材料的3D打印全軟機器人（名為larvobot）賦予了可重復(fù)的可編程變形和高自由度運動。軟機器人在精確的時空控制中由光遠程驅(qū)動，這為應(yīng)用提供了很大的優(yōu)勢。相關(guān)論文“Meniscus-Climbing System Inspired 3D Printed Fully Soft Robotics with Highly Flexible Three-Dimensional Locomotion at the Liquid–Air Interface”于2022年11月11日在線發(fā)表于雜志《ACS Nano》上。

1. 3D打印LCE/CNTslarvobot的設(shè)計
為了提供高度的自由度和可重復(fù)的變形，研究者選擇主鏈液晶彈性體（LCE）作為基體。碳納米管（CNTs）作為納米填料被填充，賦予LCEs近紅外靈敏度并增強剛性。該可光聚合的主鏈液晶齊聚物是由活性中間體和胺連接劑通過氮雜-邁克爾加成合成的(圖1b)，它可以最大化潛在的驅(qū)動應(yīng)變。在紫外光照射下，3D打印過程后，從活性丙烯酸酯端基中獲得LCE交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(圖1a)，這有利于保留程序化的中間原對齊。由功能性LCE組成的larvobot在近紅外（NIR）照射下顯示出不對稱的幾何變化，成功地操縱了多模運動（向前-向后，旋轉(zhuǎn)等），甚至在兩相界面處進行了三維卷起（圖1d）。

圖1 3D打印LCE/CNTs larvobot的設(shè)計

2. LCE/CNT的表征
首先，研究者添加了0.1 wt % CNTs，LCE/CNTs帶材的表面溫度達到其TN-I（～91 °C）在0.69 s內(nèi)，可在不到8秒的時間內(nèi)從25 °C升至～260 °C（圖2a），而不含CNT的對照LCE樣品的溫度在相同條件下（1.53 W/cm2）升高不到10 °C。粘度等測試表明，從打印注射器擠出的LCE/CNT傾向于將中間原與編程的打印路徑對齊。更重要的是，在暴露于紫外線下時，LCE帶材在固化時凍結(jié)了內(nèi)部應(yīng)力（圖2）。

圖2 LCE/CNT的表征

3. 基于空氣中LCE/CNT的全軟機器人的可編程空間運動
除了條狀軟機器人外，研究者還打印了更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以在直接墨水寫入過程中演示程序的導(dǎo)向器對齊。如圖3a-b所示，由六個花瓣和阿基米德螺旋取向細絲組成的花狀機器人在近紅外輻射下開花。有趣的是，一個類似兒童的LCE/CNTs全軟機器人被打印出來，帶有幾個預(yù)定的方向，隨著近紅外光的運動而跳舞(圖3e-f)。圖3g-h所示為通過直接墨水書寫處理的局部控制分子定向的網(wǎng)狀LCE/CNTs全軟機器人。

圖3 基于空氣中LCE/CNT的全軟機器人的可編程空間運動

4. larvobot機器人的機械分析
隨后，研究者將上述機器人放置在液-空氣界面上，探索了方向控制和推進的機理，并嘗試了力學(xué)分析。如圖4e所示，larvobot的運動可分為三個過程，（i）0°< α ≤90°，（ii）90°< α <180°，（iii）α= 180°。larvobot的實際位移和角速度隨時間的變化如圖4g-h所示，很好地印證了圖4c所描述的模型。值得一提的是，在1 s內(nèi)暴露在近紅外光下，運動立即啟動，這與空氣中的光熱驅(qū)動一致(圖4f)。在定向光暴露時，蜘蛛狀全軟機器人在液-空氣界面的運動如圖4j所示。當(dāng)近紅外光投射到遠離蜘蛛狀軟機器人幾何中心的左腿時，暴露部位的溫度達到了向列到各向同性的過渡點，并產(chǎn)生向光的彎曲。

圖4 larvobot機器人的機械分析

5. larvobot三維卷繞的運動學(xué)分析與有限元模擬
為了理解軟機器人在液-氣界面的運動，通過改變沿三相接觸線的角度來產(chǎn)生表面張力差，建立了移動機構(gòu)。當(dāng)近紅外光照射在larvobot上時，這個過程可以分為降落、游泳和離開。在游泳過程中(圖5a (ii和iii))，larvobot在近紅外光照射下產(chǎn)生了各種變形，導(dǎo)致表面張力與水平面之間的角度和長度變化，這主要是由于其三維運動超出了半月板爬甲蟲幼蟲的固有運動(圖1d和圖5b)。

通過對微型機器人關(guān)燈后運動的分析，進一步論證了三相接觸線的作用機理。隨著接觸線上傾角的變化，F(xiàn)T在運動方向上增大，這使得larvobot比以前游得更快。給出了速度的矢量圖和云圖(圖5c-d)。在被光照射前，幼蟲的側(cè)毛細力沿三相接觸線均勻分布。輻照后larvobot的受力分布主要集中在輻照區(qū)域(圖5e)。證實了larvobot在液氣界面的多維運動是由表面張力的差異引起的，這與力學(xué)分析一致。

圖5 larvobot三維卷繞的運動學(xué)分析與有限元模擬

綜上，全軟機器人在液-氣界面處的多模運動是通過構(gòu)建一個模仿半月板爬甲蟲幼蟲的三相接觸線差分來實現(xiàn)的。功能性LCE/CNTs復(fù)合材料與3D打印技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)合成結(jié)構(gòu)的高自由度和可編程運動，包括甚至在液-氣界面超越天然甲蟲幼蟲Pyrrhalta的三維卷起。此外，光熱材料可以通過簡單的光照射實現(xiàn)時空可控的運動和連續(xù)的能量供應(yīng)。通過結(jié)合各種功能填充、編程方向、模式和三維結(jié)構(gòu)，可以進一步改變運動。這項工作中開發(fā)的設(shè)計原理和材料將啟發(fā)下一代功能性軟機器人。

文章來源：
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09066