上海交通大學/江西科技師范大學: 低溫打印多材料軟水凝膠機器人

更新時間：2025-02-07

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上海交通大學及江西科技師范大學聯(lián)合研究團隊在《Nature Communications》期刊發(fā)表文章“Multimaterial cryogenic printing of three-dimensional soft hydrogel machines"，提出了一種多材料低溫打印（MCP）技術(shù)，采用全低溫溶劑相變策略，包括瞬間墨水凝固，然后通過原位同步溶劑熔化和交聯(lián)，能夠高保真度的制造具有高縱橫比復(fù)雜幾何形狀（懸垂、薄壁和空心）的各種多材料3D水凝膠結(jié)構(gòu)，并使用該方法制造了具有多種功能的全打印全水凝膠軟機器。

該技術(shù)展示了具有集成制造多功能的全打印全水凝膠軟機器的能力，例如具有小葉狀態(tài)感知的自感知仿生心臟瓣膜和具有20個軟硬復(fù)合葉片的無繩磁渦輪機機器人。這種具有不同運動模式（清掃和拖動）的渦輪機機器人進一步提供了復(fù)雜管內(nèi)堵塞物清除和運輸?shù)哪芰Α?/span>

圖1 MCP打印技術(shù)用于軟體水凝膠機器

MCP技術(shù)利用全低溫溶劑相變策略通過兩個步驟制造多材料3D結(jié)構(gòu)水凝膠。第一步使用水到冰的瞬時相變來物理鎖定水凝膠前體的分子構(gòu)型，通過將低溫平臺與墨水直寫3D打印系統(tǒng)相結(jié)合，使多種水凝膠墨水在-30~-10°C的低溫范圍內(nèi)一體化按需打印凍結(jié)，實現(xiàn)打印可定制化、高精度、自支撐的3D結(jié)構(gòu)。第二步利用反向冰-水相變以在融化的冰-水界面處引發(fā)冷凍水凝膠分子網(wǎng)絡(luò)的化學交聯(lián)。通過低溫打印過程的原位顯微鏡成像來監(jiān)測作者的MCP技術(shù)的動力學，可以清楚地觀察到在剛剛擠出的細絲中具有通過水固化形成堅硬冰殼的結(jié)晶前沿。在掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中，低溫打印的長絲顯示出均勻的微孔，而室溫打印的樣品顯示出分層多孔形態(tài)。與在各種打印動力學條件（如油墨流變學和基底）上的室溫打印相比，MCP技術(shù)的分辨率更高，且沒有顯著的性能劣化。接下來，作者驗證了具有不同形成機制的水凝膠材料的多材料打印性能。打印的非均質(zhì)水凝膠的單軸拉伸測試表明，每個混合樣品在組成的均質(zhì)水凝膠本身處破裂，而不是在連接部分脫粘（圖2）。

圖2 多材料低溫打印技術(shù)的特性

為了展示技術(shù)制造能力，作者設(shè)計打印了一系列具有懸垂、薄壁、空心特征的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括金字塔、Y形管道、空心立方體、體素化立方體、管內(nèi)支架與晶格超結(jié)構(gòu)。所制造結(jié)構(gòu)在拉伸、擠壓和扭轉(zhuǎn)等變形方面具有機械魯棒性，為軟體器件應(yīng)用提供了優(yōu)異的可靠性和耐久性。進一步使用X射線計算機斷層掃描評估打印結(jié)構(gòu)的形狀保真度。以三維異質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)為例，其斷層掃描切片顯示出均勻的毫米級壁厚和高保真中空結(jié)構(gòu)。通過點云重建與設(shè)計結(jié)構(gòu)定量比較，結(jié)果顯示其有68.3%的區(qū)域制造誤差小于227 μm，95.4%的區(qū)域制造誤差小于428 μm（圖3）。

圖3 打印結(jié)構(gòu)的表征

作者設(shè)計和制造了具有小葉狀態(tài)感知的全水凝膠仿生主動脈心臟瓣膜。打印的瓣膜顯示出與本地青少年心臟瓣膜相似的尺寸，表面輪廓誤差小于6%，最大表面傾斜度為43.7°。在模擬的收縮和舒張周期中，瓣葉順應(yīng)性地響應(yīng)跨瓣血流并引起腔室壓力的變化。實驗觀察證實，其承受能力可超過140 mmHg，覆蓋自體主動脈血壓的正常范圍（圖4）。

圖4 自感知仿生心臟瓣膜

為了進一步展示多功能軟機器，作者連續(xù)打印多種材料組件，以制造具有可定制尺寸（通常直徑約為12.5 mm）的無系繩多模磁性渦輪機機器人。在外部旋轉(zhuǎn)磁場激勵下，機器人的磁性平臺帶動渦輪葉片形成旋轉(zhuǎn)清掃運動。其中，葉片軟部能夠順應(yīng)性錨定目標位置，而硬部則可產(chǎn)生扭矩和推進力。與此同時，旋轉(zhuǎn)渦輪葉片可以擾動水下管內(nèi)流場，在其身后形成捕獲渦旋以實現(xiàn)目標物體的拖曳運動。所設(shè)計的小型渦輪軟體機器人具有兩種運動模式：葉片旋轉(zhuǎn)清掃和捕獲渦旋拖曳。通過反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場方向使渦輪機器人翻轉(zhuǎn)（面對或背對目標物體)，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人多運動模式切換。例如，清除水下直管中的粘性堵塞并捕獲漂浮障礙物，以避免堵塞遷移；通過轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)磁場導航，渦輪機器人運輸膠囊狀貨物通行復(fù)雜Y形管道等（圖5）。

圖5 無系繩多模式磁渦輪機機器人

總結(jié)：在這項研究中，作者提出了一種多材料低溫打印技術(shù)，利用全低溫溶劑相變策略進行全3D水凝膠制造。開發(fā)的技術(shù)平臺展示了構(gòu)建的多材料3D水凝膠架構(gòu)具有多樣性和幾何復(fù)雜性的能力，并在全打印全水凝膠軟機器上的演示中探索了軟機器人和生物醫(yī)學電子學的廣闊前景。