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可使用超33万次,一年以上!明胶基生物凝胶用于软体机器人和柔性电子器件

作者:admin发布时间:2020-09-13分类:数码设计浏览:5评论:0


导读:原标题:可使用超33万次,一年以上!明胶基生物凝胶用于软体机器人和柔性电子器件据估计,到2025年,英国每天将产生600万...
原标题:可使用超33万次,一年以上!明胶基生物凝胶用于软体机器人和柔性电子器件

据估计,到2025年,英国每天将产生600万吨垃圾,其中高科技的一次性垃圾将是一个快速增长的贡献者。使用寿命结束的器具含有不易回收的有价值的物质,也含有容易通过填埋或不当处理而释放到大自然中的有毒物质。而生物材料有自修复能力且易降解,这使得它们具有更大的应用空间。人来开发一系列的仿生系统,包括软机器和电子皮肤,通过引入自修复、可拉伸性,将软到硬的材料结合起来实现高水平的功能。然而,将可拉伸性引入可降解设备仍然具有挑战性。

以明胶为基础的凝胶是一种很有前途的选择,因为这种生物聚合物不需要合成就能很容易地获得,可以添加水溶性添加剂,而且降解速度快,对环境无害,甚至可以食用。然而,凝胶在空气中拉伸和快速干燥时导致硬化并限制可穿戴设备或软机器人元件的使用的稳定性和耐久性。并且,由于材料性能难以控制,拉伸能力有限,导致仅有几个驱动周期性能就下降。

可使用超33万次,一年以上!明胶基生物凝胶用于软体机器人和柔性电子器件

在这里,论文介绍了一种广泛适用的生物凝胶的制造方法、设计规则和一套概念—— 它将弹性且可持续的(软)机器人和电子产品的挑战性需求统一整合在单一的平台上 。受到从头足类等复杂生物的启发,将生物凝胶与天然衍生材料(如纤维素和锌)结合在一起,以实现从机器人元件到可拉伸电子元件的全生物降解设备凝胶以天然材料为基础,作为可降解基材,包括耐用、自粘、可拉伸、可机械调节和可自愈性。尽管在废水中可以完全降解,该凝胶在环境条件下仍能保持其机械性能一年以上,并使软执行器能够运行超过33万次而不失效。 其可扩大生产、低材料成本和所有制造步骤的安全性将使其从工业、医疗保健到教育的广泛应用成为可能。

纤维素作为一种普遍的结构多糖,可作为设计用于动态环境的软气动生物凝胶执行器的外骨骼(图1a)。 将生物凝胶与锌电极相结合,可制成完全可降解的传感器皮肤(图1b)。 该机械弹性生物凝胶是一种理想的材料,可用于临时安装或频繁更新应用的瞬时设备,因为它在几天内就可分解(图1c)。 废水细菌在5天内对生物凝胶进行酶解,不会对环境造成损害。

可使用超33万次,一年以上!明胶基生物凝胶用于软体机器人和柔性电子器件

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图1-具有弹性且可完全降解的生物凝胶。

结合了多种组件——每个组件都有不同的用途——以同时获得生物降解和高机械性能。凝胶的主要聚合物网络是明胶,它决定了材料的杨氏模量(E),糖(纤维素)的加入提高了材料的延展性。通过调整生物凝胶内的水和甘油的比例,可以获得稳定的机械性能和工艺条件,柠檬酸可以防止细菌的生长。

广泛的新兴软机电系统——从电子皮肤到机器人——要求一套可靠和耐用的材料和容易调节的机械性能。论文通过调整凝胶的用量来调整生物凝胶的E和极限(工程)应力(σu),分别为30 ~ 300kpa和10 ~ 140kpa,两者都随着凝胶浓度呈指数级增长(图2a)。与此同时,极限应变(εu)从180%应变线性增加到325%应变(图2b)。进一步提高明胶浓度可以得到更高的E值(3.1 MPa),同时提高了σu值(1.86MPa),但一定程度降低了的εu值(254%)。添加28% wt%的糖,使生物凝胶具有高延展性,εu和σu同时增加(图2c,d)。糖(和甘油)的加入作为助溶剂促进了明胶中螺旋-螺旋的结合,增强凝胶化,并在热力学上稳定凝胶。同时高变形下这些螺旋-螺旋组合的解开会导致可拉伸性增加。

可使用超33万次,一年以上!明胶基生物凝胶用于软体机器人和柔性电子器件

图2-明胶生物凝胶的可调性、稳定性和力学性能。

为了克服水凝胶在环境条件下使用时会由于游离水的损失而脱水——用非挥发性食品添加剂甘油替代了大量的水分,以减少生物凝胶中的游离水。在不影响机械性能的前提下,降低水-甘油比可延长贮藏时间和稳定性(图2e,f,g)。这些条件的优化使得制备出形状稳定的器件(图2h)。在一年的时间里没有观察到材料降解的迹象,但这些实验仅仅因为时间限制而停止,这表明生物凝胶在更长的时间内是稳定的。

添加柠檬酸降低pH抑制了细菌生长但不影响其拉伸性。通过对成分浓度的选择,可以设计出一种可变形且具有弹性的生物凝胶,这种生物凝胶不会变干,适用于软性机器人应用,可在20-80% RH湿度范围内操作。通过将生物凝胶充气成球囊形状进行双轴拉伸试验(图2j),应变超过1000%。

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图3-弹性生物凝胶用于软体执行器。

该生物凝胶独特地结合了高性能和可降解性,这使得它适用于软体(生物)机器人,医疗器械和工业机器人的应用。在这里展示了由大象的鼻子启发的软气动执行器的潜力。气动驱动执行器的s形运动达到其尖端10厘米的最大位移(图3a)。论文选择了s形和u形运动的两种模式设计,模拟了吊机的抬升和抓取运动。通过对连接到力传感器的板施加恒定压力使u形执行器膨胀来监测驱动循环的次数。由高水/甘油比生物凝胶(G2420)制成的执行器可以持续执行10,000次循环(约10小时的持续执行),在中等耐久性应用领域具有足够的应用前景。具有较低水/甘油比率(G2430)的执行机构具有高度耐用性,即使经过60,000次循环也没有失效使用力调节设置(调整驱动压力和频率)提高循环寿命超过330000次没有失效(图3 c)。即使涂抹食用油后在水下,执行器也能工作1.5小时和2000次循环

执行器可抓取和提升各种平面或曲线形状的物体达120g,距离为16mm。u型设计使弯曲角度286°(图3),这对应于最大线性应变为232%。通过施加50 kPa的压力,可获得281°的全范围弯曲角(图3g)。利用食品添加剂——脂肪酸的单甘油酯和双甘油酯(E471)在生物凝胶体积内制造稳定的气泡。夹在两个锌电极之间的泡沫充当了可变形的电容器(图3h),使致动器能够对障碍物(如玫瑰刺)做出反应。施加负载压缩软泡沫中的空隙(图3i)并接近两个电极,导致电阻变化(图3j)。

该生物凝胶提供了一个自粘附的平台,生物可降解的软电子粘附在各种表面无需额外的粘合剂。论图4展示了利用可调谐生物凝胶的热塑性快速组装的自主传感器贴片。

可使用超33万次,一年以上!明胶基生物凝胶用于软体机器人和柔性电子器件

图4-可降解电子传感器贴片。

生物凝胶的愈合或组装是通过红外激光在裂纹或切口附近进行短暂的局部熔化完成的(图4a)。在不到10分钟的处理时间内对生物凝胶进行激光修复,完全恢复了其原有的机械性能(图4b)。使用激光辅助快速愈合(LARH)将不同E值(1.4、0.4和0.2 MPa)的生物凝胶组装成分级模量凝胶。这种模级生物凝胶的单轴拉伸在整体应变为50%的情况下,使最硬部分的应变降低了90%(图4c)。LARH的快速装配能够实现复杂的3D形状,如三叶结(图4d),或可为可拉伸电子器件定制复杂基底。使用该生物凝胶制备了可生物降解的、可拉伸的多模态电子皮肤,它具有温度、湿度和应变响应的传感器(图4e)。该传感器由锌箔或温度敏感膏结构而成,采用可拉伸至50%单轴应变的锌弯管,当拉伸至20%时,其电阻不发生变化,且承受1000多次循环。传感器数据通过安装在生物凝胶上的可重复使用的柔性印刷电路板(PCB)进行无线记录、分析和传输。

由巴西棕榈蜡和石墨粉的混合制成的温度传感器在10到40℃的温度范围内显示了接近线性的电阻响应(图4f)。湿度传感器被设计为数字电极,随着RH的增加,其阻抗呈指数级下降(图4g)。通过增加手指间距等,可以使凝胶上的电极具有较大的位移,使应变传感器具有线性响应,且在循环拉伸下没有滞后(图4h)。传感器皮肤监测靠近热杯的温度变化(图4i)、湿度变化(图4j)或皮肤变形(图4k)。在运动和出汗时,即使在运动强度提高的情况下,生物凝胶也会粘附在人体皮肤上。佩戴7h后未见皮肤刺激迹象。延长与皮肤的接触时间并没有改变生物凝胶的力学性能,即使在4天的日常活动中累积磨损38h,生物凝胶的力学性能仍保持不变。如果用滑石粉涂抹,可以实现无粘性。

基于电容式可生物降解压力传感器的概念,设计了一种压力敏感电子皮肤阵列,该阵列由1毫米厚的生物凝胶泡沫和4×4矩阵的锌箔电极可拉伸连接(图4m,n)。可拉伸压力传感器阵列通过柔性PCB进行记录读取(图4O)。除了能够量化单个特定传感器上的负载,压力传感器阵列还能检测具有复杂形状的物体(图4p,q)。当存储在环境条件下时,电子皮肤保持功能超过一年。

总之,论文在介绍了一套可降解、有弹性的软机器人、电子皮肤和医疗保健材料,这些材料可治愈、可变形、自粘、抗脱水。应用论文的设计方法,制备了一套新的耐用的、可生物降解的软执行器和具有多模态传感能力的自主电子平台。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0699-3

标签:凝胶生物软体机器人柔性材料器件性能机械软执行器知识科普传感器电极明胶


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