《AFM》：3D 打印基于海藻的可生物降解的致动器

导读：机器人在实验室之外的应用变得越来越普遍。随着技术的进步，机器人在制造业、家庭清洁、送货服务、搜索和救援以及探索全球具有挑战性的环境（包括脆弱的海洋生态系统）中越来越普遍。随着海洋科学越来越多地采用，必须考虑部署水上机器人的安全和环境影响。它们可能会与生物体相互作用、丢失或在部署时损坏。不幸的是，许多现有的机器人技术依赖于由金属和塑料组成的刚性致动器，这些致动器可能会通过接触和摄入直接或通过在环境中积累不可生物降解的材料来间接伤害水生生物，从而会对环境构成风险。

2023年6月18日，南极熊获悉，来自卡内基梅隆大学工程学院的研究人员正在寻求通过创造新方法来构建可自然分解的机器人（使用海藻）来将这种风险降至最低。这个跨学科研究团队由Victoria Webster-Wood 和 Adam Feinberg 教授领导，与 Carmel Majidi 和 Lining Yao 合作，开发制造用于海洋应用的可生物降解致动器的新方法——FRESH 打印方法。研究团队使用海藻酸钙水凝胶制成生物墨水，这是一种源自褐海藻的可持续生物材料，确定了使用FRESH打印方法打印防水结构的设计和打印参数。

这个过程允许致动器具有复杂的形状和内部腔体，这是传统制造技术难以实现的。此外，它表明制造的组件可生物降解，可安全食用，并且可被海洋生物消化。最后，实施可逆螯合交联机制来动态改变藻酸盐致动器的结构刚度和形态。这项研究通过使用生物基材料提高复杂软设备的可制造性，扩展了可生物降解海洋机器人的设计空间。

关于FRESH 打印方法的最新研究成果以题为“Biodegradable, Sustainable Hydrogel Actuators with Shape and Stiffness Morphing Capabilities via Embedded 3D Printing”的论文被发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303659

卡内基梅隆大学机械工程系学生、最近获得博士学位的 Wenhuan Sun 解释说：“我们很高兴能够扩展FRESH 打印方法的制造能力，并针对软机器人应用对其进行优化。FRESH 的独特优势使创建具有不同寻常特性组合的机器人结构成为可能。”

△资料来源：Biohybrid 和 Organic Robotics Group

FRESH打印方法允许制造可以延伸、弯曲和扭曲的小型、非常柔软的致动器。它们也可以组合成用于抓取和定位的结构。研究团队使用的海藻基墨水依靠钙来交联并形成凝胶——使研究人员能够利用材料特性来制造可以通过改变致动器中的交联程度来改变形状和刚度的致动器。

△一个 3D 打印的藻酸盐抓手可以安全地处理和移动一块易碎的海藻。资料来源：Biohybrid和 Organic Robotics Group。

来自机械工程系的Ravesh Sukhnandan 博士说： “我们如何平衡对先进软体机器人结构的需求与它们的创造对环境的潜在影响？我们相信使用 FRESH 打印的可生物降解致动器是一个很有前途的解决方案，我们很高兴能继续做出改进。”

除了机器人功能外，致动器还可以完全生物降解，在自然海洋条件下可在 7 天内完成降解。致动器也可以被海洋生物安全地食用——这意味着，如果在使用过程中丢失或损坏，致动器对环境造成的风险最小。