Science子刊：3D打印可自主排汗的水凝胶致动器

频道：3D打印新闻日期：2020-02-03 浏览：1030

很多哺乳动物具有通过排汗和蒸发冷却降低体温的能力，使得其在剧烈运动期间具有更大的耐力；来自康奈尔大学的团队报道了一种能动态调控孔隙来进行温控的软体机器人。
在机械系统中，存储的能量到有用功的转换永远不会完全有效，并且热量会散发到系统中。过多热量产生的不利影响很多，包括热膨胀，温度梯度引起的应力或电路中电子迁移率的变化等。新兴的软机器人领域通过连续性驱动提供动物般的运动，并通过顺应性材料与环境进行共形相互作用，这些致动系统释放了大量的热量，但很少有软机器人具有专门的冷却功能。软机器人是通过控制应变差来控制致动器运动，而形状和刚度因热波动而变化会威胁到这些设备的可靠性和精度。因此，发展具有自主热调节系统的软机器人技术至关重要。

近期发表在Science Robotics杂志上题为“Autonomic perspirationin 3D-printed hydrogel actuators”的文章，来自康奈尔大学的Robert F. Shepherd团队及其合作者报道了一种利用混合水凝胶油墨3D打印制造的软体致动器，它的创新点在于可通过致动器上的动态孔自主的局部出汗进行温度调节。

研究者选择开发两种水凝胶油墨：一种由Aam单体组成，另一种由NIPAm和AAm单体组成（摩尔比为3：1）的共聚油墨，同时还将氧化铁和二氧化硅纳米粒子掺入了油墨配方中，以减少构建时间并增加致动器的机械完整性。

图1材料设计和SLA 3D打印的执行器（A）使用核黄素光引发剂，三乙醇胺助引发剂和MBA作为交联剂，在磺酸盐改性的SiO2和Fe3O4存在下，通过Aam和NIPAm的光聚合来化学合成离子水凝胶。（B）具有替换机制的SLA 3D打印机的简化架构以及执行器的分解图，该图构成了多材料层；粉色代表PAAm，棕色代表PNIPAm，h代表PAAm和PNIPAm体的高度。（C）具有高表面积和多种材料设计的3D打印执行器。（C1）具有孔设计，织构和应变限制层的执行器。（C2）显示汗水的动画模型。（C3）3D打印的执行器，类似于动画模型。

研究者利用光固化技术在水凝胶中打印了微米级的孔，以促进汗液快速冷却。与在给定压力下以恒定流量排汗的静态孔不同，这样的孔由于水凝胶响应于局部温度而膨胀或收缩而改变了横截面积。这种行为不仅是收缩孔以最小化液压致动过程中压力损失所必需的，而且还增加了发生升温的地方的排汗速率，类似于哺乳动物的局部汗症。

通过直接制造出使致动器的内部流体通道通气的圆形孔来模仿人类皮肤中的出汗机制。然而，如果孔太大，则驱动这种流体弹性体致动器的压力梯度将无法发展并使该装置失效。因此，最佳孔在低温下将足够小以允许加压，而在高温下将充分膨胀以允许冷却。

图2孔径，体积变化和弯曲特性（A）具有不同直径和温度的PAAm / PNIPAm样品的孔径变化（阴影区域为SD；N = 7）。（B）在不同温度和时间下执行器的体积变化。（C）气动水凝胶致动器，以达到最大弯曲角度。（D）弯曲角度与输入量的关系，执行器在水和空气中使用不同的执行器设计进行了测试（误差线标记为SD；N = 3；阴影区域表示SE的最佳配合）。

为了量化人工出汗的手的体温调节能力，我们将五个这样的印刷致动器安装在刚性手掌上，在强制对流下，发汗的致动器在0到0.6 min之间的冷却时间比不发汗的致动器快大约600％。

图3 出汗实验。（A）3D打印的手：液压控制的手指组装在掌底盘中。（B）使用热像仪的液压驱动手和执行器的温度变化。（B1）在强制对流下手出汗期间记录的温度。（B2）在强制对流作用下单个执行机构的出汗过程中记录的温度。（B3）在自由对流下在执行机构排汗期间记录的温度。（C）在不同对流模式下有孔和无孔的出汗试验比较（阴影区域为SD；N = 3）。

被动适应不规则形状而不会给易碎物体施加较大压力的能力是软机器人抓手的主要优点。该出汗执行器制造的机械手也具有这种基本能力，而且与以前的软机器人不同，这种出汗的执行器还可以控制所持物体的温度。例如，液压致动的三指操纵器从浴槽内取出热的空饮料罐。当接触加热的物体时，集成的夹具会从执行器内部流汗，从而冷却表面（自由对流）。