康奈尔大学《Nature Protocols》3D打印自主排汗水凝胶促动器

来源：水凝胶

为了减轻高温的不利影响，传统的刚性设备使用笨重的散热器，散热器和风扇来散发敏感组件的热量。不幸的是，这些温度调节策略与软机器人不兼容，软机器人是一个不断发展的技术领域，就像生物学一样，它利用软材料来构建顺应性和高度可变形的物体，以实现功能适应性。最近，康奈尔大学Thomas J. Wallin教授团队设计了可在高温下自动排汗的流体弹性体执行器。

这种策略会引起操作上的损失（即，降低的致动效率和液压流体的损失），但是提供了软系统中的温度调节。在这种受生物启发的方法中，从带有嵌入微孔的智能凝胶中3D打印手指状致动器，这些微孔可根据温度自动扩张和收缩。在高温运行期间，内部液压流体流经膨胀的孔，吸收热量并蒸发。冷却后，孔收缩以限制流体损失并恢复运行。为了评估温度调节性能，该协议使用非侵入式热成像技术来测量变化条件下机器人的局部温度。基于牛顿冷却定律的数学模型可以量化冷却性能，并可以在竞争设计之间进行比较。出汗执行器的制造通常需要3–6小时，具体取决于尺寸，并且可以提供> 100 W / kg的额外冷却能力。相关论文以题为Making bioinspired 3D-printed autonomic perspiring hydrogel actuators发表在《Nature Protocols》上

实验步骤的发展
自主排汗水凝胶致动器的材料设计与制造
合成水凝胶（即亲水性聚合物网络）经常用于受生物启发的系统中。软机器人中常见两类水凝胶致动器：流体弹性体致动器（FEA）和渗透性致动器。流体执行器的工作方式类似于带图案的气球；在内部通道加压期间，弹性体根据应变限制元件的结构布置而改变形状（图1a）。相比之下，渗透驱动的“智能”水凝胶可逆地将大量溶剂直接吸收到聚合物网络中，以响应细微的环境变化而多次改变其体积。混合物（溶剂-聚合物系统）的化学势能与网络的弹性势能之间的能量平衡决定了这种动态行为。当溶剂与凝胶的相互作用良好时，溶剂分子沿化学势梯度扩散，使聚合物溶胀，直到与拉伸网络的弹性势平衡为止。如果相互作用不利，则弹性能占主导，并且凝胶排出溶剂分子并塌陷。总的来说，与智能凝胶相比，有限元分析虽然能耗更高，效率更低，但可提供更快（f> 1 Hz），大规模，高力的驱动力。因此，我们的设计采用了液压驱动的有限元分析法，并由包含渗透压驱动微孔的水凝胶层覆盖。

图1：受生物启发的3D打印水凝胶致动器。a，采用多材料印刷的高表面积设计执行器。b，执行器设计的分解图。c，在不同环境中液压加压时，孔隙响应与执行器性能之间的比较。d，加压前后出汗执行器的实际图像。

用于自主毛孔的智能材料的表征
用质量（重量）和尺寸变化（直接成像）来量化肿胀程度，这两种方法都涉及受过本科程度培训的研究人员可以使用的简单方法。如图2所示，适当的计划可以同时收集两个数据流。

图2：智能毛孔的特征。a，用于孔分析的实验装置。b，多孔水凝胶在不同温度下的代表性图像。

执行器的机械性能

图3：用于性能测试的机器人系统。a，单个执行器组装在3D打印的支架中。b，拟人柔软的手。c，机器人三点抓取器。

图4 机械和出汗测试的实验装置。

预期结果
该协议概述了出汗的有限元分析的设计和制造。水凝胶化学的立体光刻印刷产生了具有生物启发的具有动态微孔的软机器人，该微孔可以根据温度自动扩张和收缩。如图5a所示，适当的材料选择和设计应产生孔隙，该孔隙的横截面积会随温度显着变化（> 25％）。为了稳定的自主运行，这种尺寸变化应该是可逆的。如图5b所示，我们的水凝胶系统能够在有利的条件（水，25°C）和不利的条件（非溶剂）之间经历许多膨胀和收缩循环。

图5：水凝胶孔的动态响应。a，响应于温度，不同直径的基于PAAm的孔的尺寸变化。b，在有利和不利条件下水凝胶反应的可逆性。

在图6a中，展示了一个示例执行器，该执行器根据上述协议进行了打印，并在出汗过程中加压以获得不同的执行幅度。在图6b中，在自由对流（黑线）和强制对流（红线）的环境中测量了这些出汗执行器（实线）和非出汗执行器（虚线）的表面温度。

图6：出汗执行器的性能。a，致动器被加压至不同的致动角度和出汗。b，在自由（黑色）和强制（红色）对流模式下，出汗（虚线）和不出汗（实线）执行器的温度变化。阴影区域代表三个试验中的温度范围。c，由出汗的执行器组成的机械手，通过出汗迅速调节温度。

但是，这些从执行器表面掉落的水滴可用于冷却其周围环境，从而实现热操纵。在图7a中，示出了聚氨酯泡沫物体在环境条件下被动冷却。相比之下，在图7b中，相同的对象是由由出汗致动器组成的机器人抓取器进行热操作的。手抓其的分泌水会迅速冷却物体表面，从而使冷却速度提高200％以上。

图7：抓握物体的热操纵。a，聚氨酯泡沫物体在空气中被动冷却。b，由于由出汗致动器组成的机器人抓手分泌出汗，同一聚氨酯泡沫物体迅速冷却。

参考文献：doi.org/10.1038/s41596-020-00484-z