編程人工水凝膠實現復雜三維運動

2018年09月18日08:59  來源:科技日報
 

據最新一期《自然·通信》報道,美國德克薩斯大學阿靈頓分校(UTA)研究人員開發出一種新方法,可對二維(2D)水凝膠進行編程,使其以空間和時間可控的方式進行擴展和收縮,形成復雜的3D形狀,並實現運動。

研究人員表示,該技術可能改變柔性工程系統或設備的設計和制造方式,其潛在應用包括仿生柔性機器人、人造肌肉(柔性材料可改變其形狀或像人體肌肉那樣響應外部信號而移動)以及可編程的物質。

UTA團隊使用溫度敏感、具有局部擴張和收縮率的水凝膠,並利用數字光4D(3D加時間)打印方法對水凝膠進行空間編程,使其響應溫度變化膨脹或收縮。通過這種方法,研究人員可在一個步驟中同時打印多個3D結構,然后使用數學方法對結構的收縮和膨脹進行編程,形成3D形狀(如馬鞍狀、皺褶和錐體)及其方向。

研究人員還開發了基於模塊化概念的設計規則,以創建更復雜的結構,包括具有編程順序運動的仿生結構,這使得形狀更為動態以便在空間中移動。研究人員還可控制結構改變形狀的速度,從而創建出更為復雜的類似於魚兒水中游的連續運動。

研究人員稱,與傳統的增材制造不同,數字光4D打印方法允許同時打印多個定制設計的3D結構。最重要的是,該方法非常快,打印時間不到60秒,因此具有高度可擴展性。UTA創建的可編程3D結構方法有望為生物機器人和組織工程開辟許多新途徑,該方法的應用速度和可擴展性將使其成為未來研究和應用開發的獨特工具。

水凝膠,一種能吸收並保持大量水分又不會溶解於水的親水性網狀高分子溶脹體。我們平時吃的果凍,敷的部分面膜,都跟它有關。在科研人員的“聖手”下,它成了一種聰明的材料,能隨著時間的變化,自動變為所需的形狀。4D打印方法速度快、可擴展性強,給能72變的水凝膠更多施展身手的空間。它可以植入人體器官組織,可以用來制造生物機器人,在人體內完成復雜任務后,它還能悄無聲息地功成身退。雖然這些都還處在實驗性概念階段,但也進一步彰顯了4D打印的革命性潛力。(記者馮衛東)

(責編:姜淑敏(實習生)、熊旭)

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