《ACS Nano》：3D打印全軟機(jī)器人，液-氣界面也能靈活運(yùn)動

來源：EngineeringForLife  

導(dǎo)讀：在液-空氣界面的軟機(jī)器人運(yùn)動對于智能社會變得越來越重要。然而，軟機(jī)器人的現(xiàn)有運(yùn)動僅限于兩個維度。由于機(jī)械環(huán)境不平衡，在液-空氣兩相界面實現(xiàn)三維運(yùn)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(tuán)隊提出了三相（液-固-空氣）接觸線的機(jī)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(jī)器人（名為larvobot）賦予了可重復(fù)的可編程變形和高自由度運(yùn)動。軟機(jī)器人在精確的時空控制中由光遠(yuǎn)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(qiáng)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(yùn)動（向前-向后，旋轉(zhuǎn)等），甚至在兩相界面處進(jìn)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(dá)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(jī)器人的可編程空間運(yùn)動
除了條狀軟機(jī)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(xì)絲組成的花狀機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)器人。

圖3 基于空氣中LCE/CNT的全軟機(jī)器人的可編程空間運(yùn)動

4. larvobot機(jī)器人的機(jī)械分析
隨后，研究者將上述機(jī)器人放置在液-空氣界面上，探索了方向控制和推進(jìn)的機(jī)理，并嘗試了力學(xué)分析。如圖4e所示，larvobot的運(yùn)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(yùn)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(jī)器人在液-空氣界面的運(yùn)動如圖4j所示。當(dāng)近紅外光投射到遠(yuǎn)離蜘蛛狀軟機(jī)器人幾何中心的左腿時，暴露部位的溫度達(dá)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(jī)器人的機(jī)械分析

5. larvobot三維卷繞的運(yùn)動學(xué)分析與有限元模擬
為了理解軟機(jī)器人在液-氣界面的運(yùn)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(jī)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(yùn)動超出了半月板爬甲蟲幼蟲的固有運(yùn)動(圖1d和圖5b)。

通過對微型機(jī)器人關(guān)燈后運(yùn)動的分析，進(jìn)一步論證了三相接觸線的作用機(jī)理。隨著接觸線上傾角的變化，F(xiàn)T在運(yùn)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(xì)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(yùn)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(yùn)動學(xué)分析與有限元模擬

綜上，全軟機(jī)器人在液-氣界面處的多模運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)一步改變運(yùn)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(jī)器人。

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