康奈爾大學(xué)《Nature Protocols》3D打印自主排汗水凝膠促動器

來源：水凝膠

為了減輕高溫的不利影響，傳統(tǒng)的剛性設(shè)備使用笨重的散熱器,，散熱器和風(fēng)扇來散發(fā)敏感組件的熱量,。不幸的是，這些溫度調(diào)節(jié)策略與軟機器人不兼容,，軟機器人是一個不斷發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域,，就像生物學(xué)一樣，它利用軟材料來構(gòu)建順應(yīng)性和高度可變形的物體,，以實現(xiàn)功能適應(yīng)性,。最近，康奈爾大學(xué)Thomas J. Wallin教授團(tuán)隊設(shè)計了可在高溫下自動排汗的流體彈性體執(zhí)行器,。

這種策略會引起操作上的損失（即,，降低的致動效率和液壓流體的損失），但是提供了軟系統(tǒng)中的溫度調(diào)節(jié),。在這種受生物啟發(fā)的方法中,，從帶有嵌入微孔的智能凝膠中3D打印手指狀致動器，這些微孔可根據(jù)溫度自動擴(kuò)張和收縮,。在高溫運行期間,，內(nèi)部液壓流體流經(jīng)膨脹的孔,，吸收熱量并蒸發(fā)。冷卻后,，孔收縮以限制流體損失并恢復(fù)運行,。為了評估溫度調(diào)節(jié)性能，該協(xié)議使用非侵入式熱成像技術(shù)來測量變化條件下機器人的局部溫度,。基于牛頓冷卻定律的數(shù)學(xué)模型可以量化冷卻性能,，并可以在競爭設(shè)計之間進(jìn)行比較,。出汗執(zhí)行器的制造通常需要3–6小時，具體取決于尺寸,，并且可以提供> 100 W / kg的額外冷卻能力,。相關(guān)論文以題為Making bioinspired 3D-printed autonomic perspiring hydrogel actuators發(fā)表在《Nature Protocols》上

實驗步驟的發(fā)展
自主排汗水凝膠致動器的材料設(shè)計與制造
合成水凝膠（即親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)）經(jīng)常用于受生物啟發(fā)的系統(tǒng)中。軟機器人中常見兩類水凝膠致動器：流體彈性體致動器（FEA）和滲透性致動器,。流體執(zhí)行器的工作方式類似于帶圖案的氣球,；在內(nèi)部通道加壓期間，彈性體根據(jù)應(yīng)變限制元件的結(jié)構(gòu)布置而改變形狀（圖1a）,。相比之下,，滲透驅(qū)動的“智能”水凝膠可逆地將大量溶劑直接吸收到聚合物網(wǎng)絡(luò)中，以響應(yīng)細(xì)微的環(huán)境變化而多次改變其體積,�,；旌衔铮ㄈ軇�-聚合物系統(tǒng)）的化學(xué)勢能與網(wǎng)絡(luò)的彈性勢能之間的能量平衡決定了這種動態(tài)行為。當(dāng)溶劑與凝膠的相互作用良好時,，溶劑分子沿化學(xué)勢梯度擴(kuò)散,，使聚合物溶脹，直到與拉伸網(wǎng)絡(luò)的彈性勢平衡為止,。如果相互作用不利,，則彈性能占主導(dǎo)，并且凝膠排出溶劑分子并塌陷,�,？偟膩碚f，與智能凝膠相比,，有限元分析雖然能耗更高,，效率更低，但可提供更快（f> 1 Hz）,，大規(guī)模,，高力的驅(qū)動力。因此,，我們的設(shè)計采用了液壓驅(qū)動的有限元分析法,，并由包含滲透壓驅(qū)動微孔的水凝膠層覆蓋,。

圖1：受生物啟發(fā)的3D打印水凝膠致動器。a,，采用多材料印刷的高表面積設(shè)計執(zhí)行器,。b，執(zhí)行器設(shè)計的分解圖,。c,，在不同環(huán)境中液壓加壓時，孔隙響應(yīng)與執(zhí)行器性能之間的比較,。d,，加壓前后出汗執(zhí)行器的實際圖像。

用于自主毛孔的智能材料的表征
用質(zhì)量（重量）和尺寸變化（直接成像）來量化腫脹程度,，這兩種方法都涉及受過本科程度培訓(xùn)的研究人員可以使用的簡單方法,。如圖2所示，適當(dāng)?shù)挠媱澘梢酝瑫r收集兩個數(shù)據(jù)流,。

圖2：智能毛孔的特征,。a，用于孔分析的實驗裝置,。b,，多孔水凝膠在不同溫度下的代表性圖像。

執(zhí)行器的機械性能

圖3：用于性能測試的機器人系統(tǒng),。a,，單個執(zhí)行器組裝在3D打印的支架中。b,，擬人柔軟的手,。c，機器人三點抓取器,。

圖4 機械和出汗測試的實驗裝置,。

預(yù)期結(jié)果
該協(xié)議概述了出汗的有限元分析的設(shè)計和制造。水凝膠化學(xué)的立體光刻印刷產(chǎn)生了具有生物啟發(fā)的具有動態(tài)微孔的軟機器人,，該微孔可以根據(jù)溫度自動擴(kuò)張和收縮,。如圖5a所示，適當(dāng)?shù)牟牧线x擇和設(shè)計應(yīng)產(chǎn)生孔隙,，該孔隙的橫截面積會隨溫度顯著變化（> 25％）,。為了穩(wěn)定的自主運行，這種尺寸變化應(yīng)該是可逆的,。如圖5b所示,，我們的水凝膠系統(tǒng)能夠在有利的條件（水，25°C）和不利的條件（非溶劑）之間經(jīng)歷許多膨脹和收縮循環(huán),。

圖5：水凝膠孔的動態(tài)響應(yīng),。a,，響應(yīng)于溫度，不同直徑的基于PAAm的孔的尺寸變化,。b,，在有利和不利條件下水凝膠反應(yīng)的可逆性。

在圖6a中,，展示了一個示例執(zhí)行器,，該執(zhí)行器根據(jù)上述協(xié)議進(jìn)行了打印，并在出汗過程中加壓以獲得不同的執(zhí)行幅度,。在圖6b中,，在自由對流（黑線）和強制對流（紅線）的環(huán)境中測量了這些出汗執(zhí)行器（實線）和非出汗執(zhí)行器（虛線）的表面溫度。

圖6：出汗執(zhí)行器的性能,。a，致動器被加壓至不同的致動角度和出汗,。b,，在自由（黑色）和強制（紅色）對流模式下，出汗（虛線）和不出汗（實線）執(zhí)行器的溫度變化,。陰影區(qū)域代表三個試驗中的溫度范圍,。c，由出汗的執(zhí)行器組成的機械手,，通過出汗迅速調(diào)節(jié)溫度,。

但是，這些從執(zhí)行器表面掉落的水滴可用于冷卻其周圍環(huán)境,，從而實現(xiàn)熱操縱,。在圖7a中，示出了聚氨酯泡沫物體在環(huán)境條件下被動冷卻,。相比之下,，在圖7b中，相同的對象是由由出汗致動器組成的機器人抓取器進(jìn)行熱操作的,。手抓其的分泌水會迅速冷卻物體表面,，從而使冷卻速度提高200％以上。

圖7：抓握物體的熱操縱,。a,，聚氨酯泡沫物體在空氣中被動冷卻。b,，由于由出汗致動器組成的機器人抓手分泌出汗,，同一聚氨酯泡沫物體迅速冷卻。

參考文獻(xiàn)：doi.org/10.1038/s41596-020-00484-z