基尔大学研发水凝胶新材料形似人类肌肉可实现短时间内受控方式扩张与收缩

李鑫2023-09-183342机器人创新

由金属和其他固体材料加工而成的机器人已经广泛应用于工业领域，但对于需要精细化动作譬如医疗和护理行业来讲，这些机器人过于笨重和僵硬，并不满足用户对于轻量化的使用需要。因此人们正在加快利用软体材料制成的软体机器人进行研究。研究人员从水母、蚯蚓、鱼类或人体等大自然中汲取灵感，或许能够使“软体机器人”做到更好的移动性与环境适配度。

近日，基尔大学材料科学研究所的一个研究小组开发出了一种基于水凝胶的新型材料系统，其功能类似于人类的肌肉。这种软性材料可以在短时间内在可控范围内扩张与收缩。从应用的角度来看，使用这种软性材料制作而成的软体机器人可以承担部分运动任务。研究小组最近在《Advanced Materials》杂志上发表了他们的研究成果。

▍新型水凝胶具备热反应能力

我们知道水凝胶这种材料具有极高的弹性，并且它几乎完全由水组成，其基础性能类似于人体组织，而基于特殊材料制作的热反应性水凝胶可随环境快速变化，收缩率达到90%。

"我们的水凝胶具有热致伸缩性，这意味着它们会对热产生反应。温度超过32°C，它们就会释放水分，从而缩小体积，"该研究的第一作者之一Margarethe Hauck博士解释说。当温度降低时，水凝胶会再次吸收水分，恢复到原有的体积。

这个伸缩的过程可以多次重复，从而产生一种特定规律的运动。Margarethe Hauck在研究生培训项目 "脑材料 "中攻读了该课题的博士学位，她表示，“通常来看，这些水凝胶有可能像人体肌肉一样发挥作用。”

这个过程可以重复多次，从而产生一种运动。"豪克在研究生培训项目 "脑材料 "中攻读了该课题的博士学位，她说："基本上，这些水凝胶有可能像人体肌肉一样发挥作用。这使得它们作为新型软体机器人开发的控制器组件很有趣。但到目前为止，改变体积的整个过程仍然需要几周的时间——对于大多数应用程序来说太慢了。

▍微小管网解决疏水慢问题

目前全球科学家都在尝试用各种方法更快地改变热反应性水凝胶的体积，基尔大学研究人员他们的水凝胶中加入了一个微小的管网。"这样，水凝胶就能比以前更快地扩张与收缩，同时兼顾稳定性，它可以施加多达4000%的力，“功能纳米材料主席博士生Lena Saure解释说。

“我们的方法是遵循自然的例子，”材料科学家 Fabian Schütt 博士说，他是该研究的负责人，也是基尔大学材料科学研究所“多尺度材料工程”的初级研究小组。“植物和动物具有网络化、分层结构的通道系统，用于有效的物质和液体运输，就像人体的毛细血管系统一样。利用这一原理，我们还可以改善软体材料的性能。”

▍巧妙利用石墨烯涂层实现电控制

研究人员利用众多相互连接的几微米空心管，实现水凝胶的流出与流入控制，并能使其体积迅速变化，我们知道极薄的石墨烯涂层也使管子具有导电性，研究人员通过电流加热水凝胶，来控制水量流入和流出的多少。

通过这种实验方式，水凝胶的体积在几个小时内出现了变化，相比之前几周的变化时间，提升明显， Lena Saure 解释说，“除了通过电流加热水凝胶实现变化之外，也可以通过定向光束来实现，这样做的好处是可以无线控制运动，非常灵活。”

研究小组可以根据不同的应用调整水凝胶。例如，不同的管子结构或石墨烯浓度的高低会改变反应时间或施加的力。

Nicola Pugno 是意大利特伦托大学的固态和结构力学教授，目前作为洪堡研究奖获得者作为基尔大学的客座教授，同样参与计算材料结构的变化如何影响水凝胶的性能。此外来自Helmholtz Centre Hereon和Technical University of Dresden的同事也参与了此次合作。

▍医疗方面商业化大有可为

"我们第一次能够以速度和力量移动水凝胶。再加上它对外部刺激独立反应的响应特性，这使我们向用于软机器人的智能高性能材料迈出了决定性的一步。”主席兼研究培训小组负责人 Rainer Adelung 教授强调了研究结果的重要性。