《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)境構成風險。

2023年6月18日，南極熊獲悉，來自卡內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構的設計和打印參數(shù)。

這個過程允許致動器具有復雜的形狀和內部腔體，這是傳統(tǒng)制造技術難以實現(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構剛度和形態(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。

相關論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303659

卡內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構成為可能。”

△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構。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： “我們如何平衡對先進軟體機器人結構的需求與它們的創(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?！?/div>

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。