《ACS Nano》：3D打印全软机器人，液-气界面也能灵活运动

来源：EngineeringForLife  

导读：在液-空气界面的软机器人运动对于智能社会变得越来越重要。然而，软机器人的现有运动仅限于两个维度。由于机械环境不平衡，在液-空气两相界面实现三维运动（X、Y和Z轴）仍然是一个巨大的挑战。

受半月板攀爬甲虫幼虫Pyrrhalta的启发，来自东华大学的游正伟教授团队提出了三相（液-固-空气）接触线的机制，以应对上述挑战。相应的基于光响应液晶弹性体/碳纳米管复合材料的3D打印全软机器人（名为larvobot）赋予了可重复的可编程变形和高自由度运动。软机器人在精确的时空控制中由光远程驱动，这为应用提供了很大的优势。相关论文“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日在线发表于杂志《ACS Nano》上。

1. 3D打印LCE/CNTslarvobot的设计
为了提供高度的自由度和可重复的变形，研究者选择主链液晶弹性体（LCE）作为基体。碳纳米管（CNTs）作为纳米填料被填充，赋予LCEs近红外灵敏度并增强刚性。该可光聚合的主链液晶齐聚物是由活性中间体和胺连接剂通过氮杂-迈克尔加成合成的(图1b)，它可以最大化潜在的驱动应变。在紫外光照射下，3D打印过程后，从活性丙烯酸酯端基中获得LCE交联网络(图1a)，这有利于保留程序化的中间原对齐。由功能性LCE组成的larvobot在近红外（NIR）照射下显示出不对称的几何变化，成功地操纵了多模运动（向前-向后，旋转等），甚至在两相界面处进行了三维卷起（图1d）。

图1 3D打印LCE/CNTs larvobot的设计

2. LCE/CNT的表征
首先，研究者添加了0.1 wt % CNTs，LCE/CNTs带材的表面温度达到其TN-I（～91 °C）在0.69 s内，可在不到8秒的时间内从25 °C升至～260 °C（图2a），而不含CNT的对照LCE样品的温度在相同条件下（1.53 W/cm2）升高不到10 °C。粘度等测试表明，从打印注射器挤出的LCE/CNT倾向于将中间原与编程的打印路径对齐。更重要的是，在暴露于紫外线下时，LCE带材在固化时冻结了内部应力（图2）。

图2 LCE/CNT的表征

3. 基于空气中LCE/CNT的全软机器人的可编程空间运动
除了条状软机器人外，研究者还打印了更复杂的结构，以在直接墨水写入过程中演示程序的导向器对齐。如图3a-b所示，由六个花瓣和阿基米德螺旋取向细丝组成的花状机器人在近红外辐射下开花。有趣的是，一个类似儿童的LCE/CNTs全软机器人被打印出来，带有几个预定的方向，随着近红外光的运动而跳舞(图3e-f)。图3g-h所示为通过直接墨水书写处理的局部控制分子定向的网状LCE/CNTs全软机器人。

图3 基于空气中LCE/CNT的全软机器人的可编程空间运动

4. larvobot机器人的机械分析
随后，研究者将上述机器人放置在液-空气界面上，探索了方向控制和推进的机理，并尝试了力学分析。如图4e所示，larvobot的运动可分为三个过程，（i）0°< α ≤90°，（ii）90°< α <180°，（iii）α= 180°。larvobot的实际位移和角速度随时间的变化如图4g-h所示，很好地印证了图4c所描述的模型。值得一提的是，在1 s内暴露在近红外光下，运动立即启动，这与空气中的光热驱动一致(图4f)。在定向光暴露时，蜘蛛状全软机器人在液-空气界面的运动如图4j所示。当近红外光投射到远离蜘蛛状软机器人几何中心的左腿时，暴露部位的温度达到了向列到各向同性的过渡点，并产生向光的弯曲。

图4 larvobot机器人的机械分析

5. larvobot三维卷绕的运动学分析与有限元模拟
为了理解软机器人在液-气界面的运动，通过改变沿三相接触线的角度来产生表面张力差，建立了移动机构。当近红外光照射在larvobot上时，这个过程可以分为降落、游泳和离开。在游泳过程中(图5a (ii和iii))，larvobot在近红外光照射下产生了各种变形，导致表面张力与水平面之间的角度和长度变化，这主要是由于其三维运动超出了半月板爬甲虫幼虫的固有运动(图1d和图5b)。

通过对微型机器人关灯后运动的分析，进一步论证了三相接触线的作用机理。随着接触线上倾角的变化，FT在运动方向上增大，这使得larvobot比以前游得更快。给出了速度的矢量图和云图(图5c-d)。在被光照射前，幼虫的侧毛细力沿三相接触线均匀分布。辐照后larvobot的受力分布主要集中在辐照区域(图5e)。证实了larvobot在液气界面的多维运动是由表面张力的差异引起的，这与力学分析一致。

图5 larvobot三维卷绕的运动学分析与有限元模拟

综上，全软机器人在液-气界面处的多模运动是通过构建一个模仿半月板爬甲虫幼虫的三相接触线差分来实现的。功能性LCE/CNTs复合材料与3D打印技术相结合，可实现合成结构的高自由度和可编程运动，包括甚至在液-气界面超越天然甲虫幼虫Pyrrhalta的三维卷起。此外，光热材料可以通过简单的光照射实现时空可控的运动和连续的能量供应。通过结合各种功能填充、编程方向、模式和三维结构，可以进一步改变运动。这项工作中开发的设计原理和材料将启发下一代功能性软机器人。

文章来源：
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09066