《AFM》：3D 打印基于海藻的可生物降解的致動器

導讀：機器人在實驗室之外的應用變得越來越普遍,。隨著技術(shù)的進步，機器人在制造業(yè),、家庭清潔,、送貨服務、搜索和救援以及探索全球具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境（包括脆弱的海洋生態(tài)系統(tǒng)）中越來越普遍,。隨著海洋科學越來越多地采用,，必須考慮部署水上機器人的安全和環(huán)境影響。它們可能會與生物體相互作用,、丟失或在部署時損壞,。不幸的是，許多現(xiàn)有的機器人技術(shù)依賴于由金屬和塑料組成的剛性致動器,，這些致動器可能會通過接觸和攝入直接或通過在環(huán)境中積累不可生物降解的材料來間接傷害水生生物,，從而會對環(huán)境構(gòu)成風險。

2023年6月18日,，南極熊獲悉,，來自卡內(nèi)基梅隆大學工程學院的研究人員正在尋求通過創(chuàng)造新方法來構(gòu)建可自然分解的機器人（使用海藻）來將這種風險降至最低。這個跨學科研究團隊由Victoria Webster-Wood 和 Adam Feinberg 教授領(lǐng)導,，與 Carmel Majidi 和 Lining Yao 合作,，開發(fā)制造用于海洋應用的可生物降解致動器的新方法——FRESH 打印方法,。研究團隊使用海藻酸鈣水凝膠制成生物墨水，這是一種源自褐海藻的可持續(xù)生物材料,，確定了使用FRESH打印方法打印防水結(jié)構(gòu)的設計和打印參數(shù),。

這個過程允許致動器具有復雜的形狀和內(nèi)部腔體，這是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實現(xiàn)的,。此外,，它表明制造的組件可生物降解，可安全食用,，并且可被海洋生物消化。最后,，實施可逆螯合交聯(lián)機制來動態(tài)改變藻酸鹽致動器的結(jié)構(gòu)剛度和形態(tài),。這項研究通過使用生物基材料提高復雜軟設備的可制造性，擴展了可生物降解海洋機器人的設計空間,。

關(guān)于FRESH 打印方法的最新研究成果以題為“Biodegradable, Sustainable Hydrogel Actuators with Shape and Stiffness Morphing Capabilities via Embedded 3D Printing”的論文被發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上,。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303659

卡內(nèi)基梅隆大學機械工程系學生、最近獲得博士學位的 Wenhuan Sun 解釋說：“我們很高興能夠擴展FRESH 打印方法的制造能力,，并針對軟機器人應用對其進行優(yōu)化,。FRESH 的獨特優(yōu)勢使創(chuàng)建具有不同尋常特性組合的機器人結(jié)構(gòu)成為可能�,！�

△資料來源：Biohybrid 和 Organic Robotics Group

FRESH打印方法允許制造可以延伸,、彎曲和扭曲的小型、非常柔軟的致動器,。它們也可以組合成用于抓取和定位的結(jié)構(gòu),。研究團隊使用的海藻基墨水依靠鈣來交聯(lián)并形成凝膠——使研究人員能夠利用材料特性來制造可以通過改變致動器中的交聯(lián)程度來改變形狀和剛度的致動器。

△一個 3D 打印的藻酸鹽抓手可以安全地處理和移動一塊易碎的海藻,。資料來源：Biohybrid和 Organic Robotics Group,。

來自機械工程系的Ravesh Sukhnandan 博士說： “我們?nèi)绾纹胶鈱ο冗M軟體機器人結(jié)構(gòu)的需求與它們的創(chuàng)造對環(huán)境的潛在影響？我們相信使用 FRESH 打印的可生物降解致動器是一個很有前途的解決方案,，我們很高興能繼續(xù)做出改進,。”

除了機器人功能外,，致動器還可以完全生物降解,，在自然海洋條件下可在 7 天內(nèi)完成降解。致動器也可以被海洋生物安全地食用——這意味著,，如果在使用過程中丟失或損壞,，致動器對環(huán)境造成的風險最小。