Hydrogeler baner vejen for fremtiden for blød robotteknologi

Forskere fra Carnegie Mellon University's College of Engineering har skabt en open source, kommercielt tilgængelig fiberekstruder til gavn for fremtidig forskning med hydrogeler og blød robotik.

Som deres navn antyder, begynder hydrogeler i flydende form som monomerer. Denne tyktflydende væske, som kan være lavet af syntetiske eller naturlige materialer fra polyester til natriumalginat, kan bruges som blæk til 3D-print. Blækket fyldes først i en sprøjte, pumpes derefter gennem nålen som en tynd filament og størkner efter 3D-print for at danne en flerdimensionel struktur, på samme måde som Jell-O først blandes som en væske, før den bliver til en blød, bøjelig dessert. Når hydrogeler placeres i det rigtige miljø, tværbinder monomererne i væsken for at danne polymerer, som giver form til hydrogelen og lader den fange vand.

Du kan måske forestille dig, at disse smidige materialer også er sarte - og det er en ulempe ved at arbejde med hydrogeler til robotapplikationer. For at løse dette problem og tillade hydrogeler at blive brugt i en større række af opgaver og barske miljøer, Wenhuan Sun, en Ph.D. studerende i maskinteknik, med vejledning af Victoria Webster-Wood og Adam Feinberg, designet en kontinuerlig fiberekstruder, en enhed, der forstærker hydrogelerne, så de ikke let går i stykker eller mister deres form, når de fyldes. Feinberg, en professor i biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik, skabte tidligere den 3D-printer, som fiberekstruderne først blev testet på.

Indlejring af fibre i hydrogeler under udskrivningsprocessen forstærker deres mekaniske egenskaber, så de ikke er så skrøbelige. At skabe en open source, kommercielt tilgængelig fiberekstruder vil gavne fremtidig forskning med hydrogeler. Ikke alene er holdets ekstruderdesign relativt billigt til omkring $53, men det er også kompatibelt med mange 3D-printenheder i hjemmet og er blevet testet med succes i hydrogeler indlejret med både syntetiske og naturlige fibre, inklusive silke og kollagen. Holdets papir, udgivet i HardwareX , fungerer næsten som en formel for andre forskere, der ønsker at eksperimentere med fiberindlejret hydrogel 3D-print.

"Dette papir beskriver hele processen med, hvordan vi byggede fiberprint-hubben, så andre mennesker bare kan referere til vores arbejde og derefter bygge deres eget uden yderligere instruktion," siger Sun om, hvordan deres forskning tjener robotsamfundet.

Når hydrogeler bevarer deres strukturelle integritet, kan de anvendes til en bredere række af situationer. Deres unikke egenskaber som fleksibilitet og blødhed gør dem til ideelle værktøjer til medicinafgivelse og vævsteknologi, men fysisk robusthed åbner døren til bredere opgaver inden for blød robotteknologi. Da de kontinuerlige fiberekstrudere fungerer godt med naturlige materialer som kollagen og alginat, er forstærkede hydrogeler klar til at blive et tilpasningsdygtigt materiale til bløde robotter, og de er også miljøvenlige.

"Vi er virkelig interesserede i, hvordan vi kan bruge biologisk nedbrydelige materialer i robotter," siger Webster-Wood, en assisterende professor i maskinteknik, der grundlagde Biohybrid and Organic Robotics Group. "Disse plantebaserede hydrogeler er en virkelig interessant retning, fordi vi grundlæggende kan dyrke materialerne til robotterne og gøre dem vedvarende." + Udforsk yderligere

Nyt naturligt hydrogelblæk til digital lysbehandling 3D-print