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上海交通大學/江西科(ke)技(ji)師(shi)範大學: 低溫(wen)打印(yin)多(duo)材料軟水(shui)凝(ning)膠機器(qi)人(ren)

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上海交通大學及(ji)江西科(ke)技(ji)師(shi)範大學聯(lian)合(he)研究(jiu)團隊在(zai)《Nature Communications》期刊(kan)發(fa)表(biao)文章“Multimaterial cryogenic printing of three-dimensional soft hydrogel machines"，提出了壹種(zhong)多(duo)材料低溫(wen)打印(yin)（MCP）技(ji)術(shu)，采(cai)用(yong)全低溫(wen)溶(rong)劑(ji)相(xiang)變策(ce)略(lve)，包括瞬(shun)間墨(mo)水(shui)凝(ning)固(gu)，然(ran)後通過原位同步溶(rong)劑(ji)熔(rong)化(hua)和交聯(lian)，能夠(gou)高保真(zhen)度的制造(zao)具有(you)高縱(zong)橫比復(fu)雜(za)幾(ji)何形(xing)狀(zhuang)（懸(xuan)垂、薄壁(bi)和空心(xin)）的各種(zhong)多(duo)材料3D水(shui)凝(ning)膠結構(gou)，並使(shi)用(yong)該方(fang)法(fa)制造(zao)了具有(you)多(duo)種(zhong)功能的全打印(yin)全水(shui)凝(ning)膠軟機(ji)器(qi)。

該技(ji)術(shu)展示(shi)了具有(you)集(ji)成制造(zao)多(duo)功能的全打印(yin)全水(shui)凝(ning)膠軟機(ji)器(qi)的能力(li)，例(li)如(ru)具有(you)小(xiao)葉(ye)狀(zhuang)態(tai)感(gan)知的自感(gan)知仿(fang)生心(xin)臟瓣(ban)膜和具有(you)20個(ge)軟(ruan)硬(ying)復(fu)合(he)葉(ye)片的無繩(sheng)磁渦輪(lun)機機(ji)器(qi)人(ren)。這(zhe)種(zhong)具有(you)不(bu)同運動(dong)模(mo)式(shi)（清(qing)掃(sao)和拖(tuo)動）的渦(wo)輪(lun)機機(ji)器人(ren)進壹步提供(gong)了(le)復(fu)雜(za)管(guan)內堵(du)塞物清(qing)除(chu)和運(yun)輸的能(neng)力(li)。

圖1 MCP打印(yin)技(ji)術(shu)用(yong)於軟體(ti)水(shui)凝(ning)膠機器(qi)

MCP技(ji)術(shu)利(li)用(yong)全低溫(wen)溶(rong)劑(ji)相(xiang)變策(ce)略(lve)通過(guo)兩(liang)個(ge)步驟(zhou)制造(zao)多(duo)材料3D結構(gou)水(shui)凝(ning)膠。第(di)壹步使(shi)用(yong)水(shui)到(dao)冰(bing)的(de)瞬(shun)時相(xiang)變來物理(li)鎖(suo)定水(shui)凝(ning)膠前體(ti)的分(fen)子構(gou)型，通(tong)過(guo)將(jiang)低溫(wen)平臺與(yu)墨(mo)水(shui)直(zhi)寫3D打印(yin)系(xi)統(tong)相結合(he)，使(shi)多(duo)種(zhong)水(shui)凝(ning)膠墨(mo)水(shui)在(zai)-30~-10°C的低(di)溫(wen)範圍(wei)內壹體(ti)化(hua)按需(xu)打印(yin)凍結，實現打(da)印(yin)可(ke)定(ding)制化(hua)、高精(jing)度(du)、自支(zhi)撐的(de)3D結構(gou)。第(di)二步利(li)用(yong)反向(xiang)冰(bing)-水(shui)相(xiang)變以在(zai)融化(hua)的冰(bing)-水(shui)界面處(chu)引發(fa)冷(leng)凍水(shui)凝(ning)膠分子(zi)網(wang)絡(luo)的(de)化(hua)學交聯(lian)。通過(guo)低溫(wen)打印(yin)過(guo)程的(de)原位顯(xian)微(wei)鏡成像(xiang)來監測(ce)作(zuo)者(zhe)的(de)MCP技(ji)術(shu)的(de)動力學，可(ke)以(yi)清楚地(di)觀(guan)察(cha)到(dao)在(zai)剛剛(gang)擠(ji)出(chu)的(de)細(xi)絲中具有(you)通(tong)過(guo)水(shui)固(gu)化(hua)形(xing)成堅硬(ying)冰(bing)殼(ke)的(de)結晶前沿。在(zai)掃描電(dian)子(zi)顯微(wei)鏡(jing)（SEM）圖像(xiang)中，低(di)溫(wen)打印(yin)的(de)長(chang)絲顯示出均勻的微(wei)孔，而室(shi)溫(wen)打印(yin)的(de)樣(yang)品(pin)顯(xian)示(shi)出(chu)分(fen)層(ceng)多(duo)孔形(xing)態。與(yu)在(zai)各種(zhong)打印(yin)動(dong)力(li)學條件（如(ru)油(you)墨(mo)流變學和基(ji)底(di)）上的(de)室(shi)溫(wen)打印(yin)相(xiang)比，MCP技(ji)術(shu)的(de)分辨(bian)率更(geng)高，且(qie)沒有(you)顯(xian)著的(de)性(xing)能劣化(hua)。接下來，作(zuo)者(zhe)驗(yan)證(zheng)了(le)具有(you)不(bu)同形(xing)成機(ji)制的水(shui)凝(ning)膠材料的多(duo)材料打印(yin)性(xing)能。打印(yin)的(de)非均質(zhi)水(shui)凝(ning)膠的單軸(zhou)拉(la)伸測(ce)試(shi)表(biao)明(ming)，每個(ge)混(hun)合(he)樣品(pin)在(zai)組成的(de)均質(zhi)水(shui)凝(ning)膠本(ben)身(shen)處(chu)破裂(lie)，而(er)不(bu)是在(zai)連接部分(fen)脫(tuo)粘（圖2）。

圖(tu)片

圖2 多(duo)材料低溫(wen)打印(yin)技(ji)術(shu)的(de)特性(xing)

為(wei)了(le)展示(shi)技(ji)術(shu)制造(zao)能力(li)，作(zuo)者(zhe)設(she)計打(da)印(yin)了(le)壹系(xi)列(lie)具有(you)懸(xuan)垂(chui)、薄(bo)壁(bi)、空心(xin)特征(zheng)的復(fu)雜(za)結(jie)構(gou)，包括金字塔(ta)、Y形(xing)管道(dao)、空心(xin)立方體(ti)、體(ti)素(su)化(hua)立方(fang)體(ti)、管內(nei)支(zhi)架與(yu)晶(jing)格超(chao)結(jie)構(gou)。所制造(zao)結構(gou)在(zai)拉(la)伸、擠(ji)壓和扭(niu)轉等(deng)變形(xing)方面(mian)具有(you)機(ji)械(xie)魯(lu)棒性(xing)，為(wei)軟(ruan)體(ti)器件應用提(ti)供(gong)了(le)優異(yi)的可(ke)靠(kao)性(xing)和耐(nai)久性(xing)。進壹步使(shi)用(yong)X射線(xian)計算(suan)機(ji)斷層(ceng)掃描評(ping)估打印(yin)結(jie)構(gou)的形(xing)狀(zhuang)保真(zhen)度。以三(san)維異(yi)質晶(jing)格結(jie)構(gou)為(wei)例(li)，其斷層(ceng)掃描切(qie)片顯示出均勻的毫(hao)米(mi)級(ji)壁(bi)厚(hou)和高保真(zhen)中空結(jie)構(gou)。通過點(dian)雲(yun)重(zhong)建與(yu)設(she)計結(jie)構(gou)定量(liang)比較(jiao)，結果(guo)顯(xian)示其有(you)68.3%的(de)區域制造(zao)誤差(cha)小(xiao)於227 μm，95.4%的(de)區(qu)域制造(zao)誤差(cha)小(xiao)於428 μm（圖(tu)3）。

圖3 打印(yin)結(jie)構(gou)的表(biao)征(zheng)

作(zuo)者(zhe)設(she)計和制造(zao)了具有(you)小(xiao)葉(ye)狀(zhuang)態(tai)感(gan)知的全水(shui)凝(ning)膠仿(fang)生主動脈(mai)心(xin)臟瓣(ban)膜。打印(yin)的(de)瓣(ban)膜顯示(shi)出(chu)與(yu)本(ben)地(di)青(qing)少年(nian)心(xin)臟瓣(ban)膜相似(si)的(de)尺寸，表(biao)面輪(lun)廓(kuo)誤差(cha)小(xiao)於6%，最(zui)大表(biao)面傾斜(xie)度(du)為(wei)43.7°。在(zai)模(mo)擬(ni)的(de)收縮和舒(shu)張(zhang)周(zhou)期(qi)中(zhong)，瓣葉(ye)順(shun)應性(xing)地(di)響(xiang)應跨瓣(ban)血(xue)流(liu)並引起(qi)腔(qiang)室(shi)壓力(li)的(de)變化(hua)。實驗(yan)觀(guan)察(cha)證(zheng)實(shi)，其承(cheng)受能力(li)可(ke)超(chao)過140 mmHg，覆蓋自體(ti)主動脈(mai)血(xue)壓的(de)正(zheng)常範(fan)圍（圖4）。

圖4 自感(gan)知仿(fang)生心(xin)臟瓣(ban)膜

為(wei)了(le)進壹步展示(shi)多(duo)功能軟機器(qi)，作(zuo)者(zhe)連(lian)續(xu)打印(yin)多(duo)種(zhong)材料組件，以制造(zao)具有(you)可(ke)定(ding)制尺寸（通(tong)常(chang)直(zhi)徑約(yue)為(wei)12.5 mm）的(de)無(wu)系(xi)繩(sheng)多(duo)模(mo)磁性(xing)渦輪機機器人。在(zai)外部旋(xuan)轉(zhuan)磁場(chang)激(ji)勵(li)下，機(ji)器(qi)人(ren)的磁性(xing)平臺帶(dai)動(dong)渦輪(lun)葉(ye)片形(xing)成旋(xuan)轉(zhuan)清掃運動(dong)。其中(zhong)，葉(ye)片軟部能夠(gou)順應性(xing)錨(mao)定目(mu)標位(wei)置(zhi)，而(er)硬(ying)部則(ze)可(ke)產生扭矩(ju)和推(tui)進力(li)。與(yu)此同時，旋(xuan)轉(zhuan)渦輪葉(ye)片可(ke)以(yi)擾動(dong)水(shui)下(xia)管(guan)內(nei)流(liu)場(chang)，在(zai)其身(shen)後形(xing)成捕(bu)獲渦旋(xuan)以(yi)實現目標(biao)物體(ti)的拖(tuo)曳運(yun)動。所設計的(de)小(xiao)型渦(wo)輪(lun)軟體(ti)機器(qi)人具有(you)兩(liang)種(zhong)運動模(mo)式(shi)：葉(ye)片旋(xuan)轉(zhuan)清掃和捕(bu)獲渦旋(xuan)拖(tuo)曳。通過反(fan)轉(zhuan)旋(xuan)轉(zhuan)磁場(chang)方(fang)向(xiang)使(shi)渦(wo)輪(lun)機(ji)器(qi)人翻轉（面(mian)對或背對目標物體(ti))，能夠(gou)實現機器人多(duo)運動模(mo)式(shi)切(qie)換。例(li)如(ru)，清(qing)除(chu)水(shui)下(xia)直(zhi)管(guan)中(zhong)的粘性(xing)堵(du)塞並捕獲漂(piao)浮障(zhang)礙(ai)物，以(yi)避免堵(du)塞遷(qian)移；通(tong)過(guo)轉(zhuan)向(xiang)旋(xuan)轉(zhuan)磁場(chang)導(dao)航，渦輪(lun)機(ji)器人運(yun)輸膠囊狀(zhuang)貨(huo)物通(tong)行(xing)復(fu)雜(za)Y形(xing)管道(dao)等(deng)（圖(tu)5）。

圖5 無系繩(sheng)多(duo)模(mo)式(shi)磁渦輪(lun)機機(ji)器(qi)人(ren)

總(zong)結：在(zai)這項研究(jiu)中，作(zuo)者(zhe)提(ti)出(chu)了壹種(zhong)多(duo)材料低溫(wen)打印(yin)技(ji)術(shu)，利(li)用(yong)全低溫(wen)溶(rong)劑(ji)相(xiang)變策(ce)略(lve)進行(xing)全3D水(shui)凝(ning)膠制造(zao)。開發(fa)的(de)技(ji)術(shu)平(ping)臺展示(shi)了構(gou)建的多(duo)材料3D水(shui)凝(ning)膠架構(gou)具有(you)多(duo)樣性(xing)和幾(ji)何復(fu)雜(za)性(xing)的能力，並在(zai)全打印(yin)全水(shui)凝(ning)膠軟機(ji)器(qi)上的(de)演示(shi)中探(tan)索(suo)了(le)軟機器人(ren)和生物醫(yi)學電子(zi)學的廣(guang)闊(kuo)前景。