北理工在水凝膠紡織軟體機器人方面取得進展


  近日,北京理工大學化學與化工學院趙揚特別研究員與合作者在水凝膠紡絲與軟體機器人方向取得重要進展。研究成果以“Large-Scale Spinning Approach to Engineering Knittable Hydrogel Fiber for Soft Robots”為題,於10月19日在線發表於ACS Nano,論文鏈接為https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04382。北京理工大學化學與化工學院本科生段翔宇與於靜怡為共同第一作者,北京理工大學化學與化工學院趙揚特別研究員為通訊作者。北京理工大學為第一通訊單位。

  功能材料的加工成型,是新型刺激響應軟體機器人研究的難點之一。與此同時,纖維的加工成型技術已在紡織工業中受到廣泛的研究與應用。若將水凝膠纖維加工成為軟體機器人,水凝膠纖維的快速刺激響應能力與柔韌性將有效的提升軟體機器人性能。然而,目前刺激響應凝膠纖維的發展主要面臨兩個難點:第一,已有水凝膠纖維的生產工藝的兼容性差,目前已有的微流控紡絲、靜電紡絲、熔融紡絲,和墨水直寫紡絲等方法均對纖維單體溶液的物理性質有額外要求或需要相對快速的固化過程;第二,水凝膠纖維由於其含水量較高,機械強度差,在低應力下便會發生斷裂,無法進行復雜或自動化的加工。因此,現有報導水凝膠編織均僅限於簡單結構,且由刺激響應水凝膠編織而成的軟體機器人尚未見報導。

圖2. 自潤滑紡絲方法與水凝膠纖維表徵

  基於此,本文作者提出了一種利用水凝膠前體溶液聚合過程中線性高分子自由移動產生潤滑層(自潤滑現象)的紡絲方法,並利用三甘醇的乾燥與塑化效應將製備的纖維強度有效提升。其中水凝膠前體溶液由線性高分子聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸) (PAMPS),單體丙烯酰胺(AAm)構成。在聚合過程中,AAm逐漸通過自由基聚合形成三維高分子網絡,而PAMPS不參與反應並在前體溶液中隨機運動,不可避免的,部分PAMPS會被部分/全部排出到PAAm形成的網絡之外,並可相對自由的移動。此層表面的PAMPS與溶劑水分子一起,形成了潤滑層,將水凝膠網絡與容器分離,並潤滑水凝膠網絡的移動。基於此,研究人員提出了一種自潤滑紡絲工藝(圖2)。

圖3. 凝膠纖維電響應與拉伸強度表徵

  然而此纖維機械強度依舊不足以支持進一步的加工與應用。因此,作者將水凝膠纖維置於三甘醇中對其進行了溶劑置換,在此過程中,水凝膠纖維中的水分子被移除,帶來機械強度提高,同時少量三甘醇進入到凝膠網絡中,相較簡單幹燥的幹膠纖維,三甘醇置換所得的凝膠網絡得以維持一定柔韌性。

圖4. 凝膠纖維編織結構

  纖維在之後被利用不同的紡織方法制成為鈎針花、機編布、堆積圓柱與五角星、辮子,空心籠等形狀。

圖5. 凝膠纖維軟體機器人

  最後,作者利用COMSOL有限元模擬輔助進行了電極的設計,將電極與編織結構相結合,製造出了一系列水下仿生軟體機器人。

 

附個人簡介:

  趙揚,北京理工大學化學與化工學院特別研究員、博士生導師。以第一或通訊作者身份發表SCI論文38篇,其中包括JACS、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.、Energy Environ.Sci.、ACS Nano等,累計共發表SCI論文90餘篇,ESI高被引論文4篇,文章引用次數達8000餘次,授權專利4項,其中1項成果已經進行產業化。1篇論文榮獲2012年度“中國百篇最具影響國際學術論文”。主持多項國家自然科學基金及北京市自然科學基金項目,同時參與多項國家重大基礎研究發展(973)計劃課題、重點研發計劃項目、軍口預研項目等。入選北京市自然科學基金優秀青年人才。

  段翔宇:化學與化工學院2015級本科生。2019-2020年,進入曲良體教授課題組並在趙揚研究員指導下開展本課題研究;2017-2019年,進入化學與化工學院王博教授課題組從事MOF材料研究並作為第三作者在Angew.Chem.Int.Ed.發表論文1篇;2015-2017年,作為大創基地分管理化分支的第一、二屆生態坊坊主進行了一定的科研,取得了3個市級競賽獎項。

  於靜怡:化學與化工學院2016級本科生。2017年,進入化學與化工學院曲良體教授課題組開展鋰硫電池陰極材料相關課題,並作為第二作者在Carbon發表論文1篇;2019年開始在趙揚研究員指導下開展本課題研究;2017-2018年,作為大創基地分管理化分支的第三屆生態坊坊主完成了一些大學生創新課題,取得了1個市級競賽獎項,1個國家級競賽獎項。

 

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