《ACS Nano》水凝胶3D打印实现仿生软体机器人的设计

来源：国际仿生工程学会

水凝胶材料有着本征的力学柔软特性，此外它的种类丰富性也带来了许多类似于生物有机体的独特性质，如可延展性、生物兼容性、可渗透性，以及对外界刺激的响应能力。这些优异的综合性能让水凝胶材料成为了热门的仿生软体机器人设计原材料，并且取得了一系列的进展。当前基于水凝胶的软体机器人研究中，仍然存在两个亟需克服的限制因素：一是水凝胶材料普遍的低力学强度，限制了实际应用中的可靠性；另外，水凝胶软体机器人依赖于模具设计制备，繁琐且难以实现复杂的3D构型。因此，发展一种简单通用的设计策略来实现具有结构复杂性以及力学可靠性的仿生软体机器人具有重要的意义。

基于以上研究背景，新加坡国立大学的Ghim Wei Ho教授课题组开发了一种基于水凝胶3D打印的仿生软体机器人设计策略。通过利用具有良好生物兼容性的海藻酸钠作为高效流变性能调节剂，实现了一系列的化学交联以及物理交联水凝胶材料直接3D打印设计成型。海藻酸钠的本征亲水网络使得主体水凝胶能够保留本身的优异性能，同时双网络结构还显著增强了打印成型后软体机器人的力学韧性。利用这种方法，该课题组实现了基于不同特性水凝胶材料的仿生软体机器人设计，此项工作的设计理念如图1所示。

图1.基于水凝胶3D打印的仿生软体机器人设计理念。a.所选用物理交联或化学交联型水凝胶单体溶液及其流变特性。b.海藻酸钠调控后可打印水凝胶材料及其流变特性。c.直接挤出式3D打印实现水凝胶材料3D复杂构型。d.结合水凝胶结构及性能实现仿生软体机器人设计。

为了对所开发的设计策略进行概念验证与展示，该课题组设计了基于不同水凝胶材料的三种仿生软体机器人，包括基于聚丙烯酰胺（PAM）的三维可转动触须、基于聚乙烯醇（PVA）的可跳动及物质传输仿生心脏、以及基于聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）的向光性仿生植物藤蔓。仿生触须利用了PAM的力学可拉伸性，通过设计对称式四通道，实现了液压控制的三维自由旋转动作，如图2所示。

图2.基于PAM的液压控制三维可转动触须

仿生心脏利用了PVA的力学柔性、溶质可渗透性以及生物兼容性，通过设计内置腔体以及外表面血管结构微通道，实现了气动式心跳动作以及生物质（葡萄糖与氯离子）交换传输，如图3及图4所示。

图3.基于PVA的气动式仿生心脏跳动

图4.基于PVA的仿生心脏生物质交换传输。a.3D打印血管状微通道的生物质交换传输测试示意图。b.生物质（葡萄糖与氯离子）流经血管状微通道时与外界液体环境的扩散浓度交换。

仿生植物藤蔓则利用了PNIPAM的可延展性及热响应特性，通过3D打印设计了对称及非对称的分段式纤维结构，实现了类似于植物藤蔓的光响应回旋动作以及弯曲固定动作，如图5及图6所示。

图5.基于PNIPAM的仿生藤蔓的向光性回旋运动

图6.基于PNIPAM的仿生藤蔓的向光性弯曲与固定动作

以上工作以《Direct-Ink-Write 3D Printing of Hydrogels into Biomimetic Soft Robots》为题在线发表于综合性期刊ACS NANO。论文第一作者为程荫博士，通讯作者为Ghim Wei Ho教授，通讯单位为新加坡国立大学。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06144