奥地利科学家打造由可降解材料制成的柔性驱动器

奥地利研究人员开发出一种挤出式3D打印工艺，使用可生物降解的墨水对复杂物体进行建模，并保持稳定的尺寸。这种生物墨水由明胶基水凝胶构成，其拉伸长度可达初始长度的六倍。

这为软体机器人技术带来了新的应用前景，并为无废料生产打开了大门。软体机器人工程师在设计与人类及其他生物互动的机器人设备时，从自然界汲取灵感。然而，这类设备的生产过程往往会产生无法回收的废料。

此外，注塑成型等传统生产方法无法满足软体机器人复杂应用的需求。因此，软体机器人技术的进步需要新的生产方法，同时还需提升环境可持续性。

软体机器人的优势与挑战

软体机器人不同于工业生产环境中使用的刚性机器人。它们以模仿自然为基础，由柔性自适应材料制成，帮助人类应对工业、医疗和社会领域的复杂任务。

然而，使用传感器和执行机构的软体机器人设备对环境影响很大。在这种背景下，人们希望使用可生物降解材料制造软体机器人驱动器。

已有尝试使用水凝胶、聚酯和蛋白质生产可生物降解的软体机器人部件。然而，传统的模具成型方法限制了现代软体机器人可实现的自由度。

因此，对于集成柔性传感器的复杂机器人设备，需要3D挤出打印等新的生产方法。

可生物降解机器人的打印

奥地利林茨约翰内斯·开普勒大学的团队开发出一种3D打印方法，用于制造内置传感网络的软体机器人驱动器。他们的方法基于熔融沉积成型（FDM），通过加热的挤出头输送连续的生物凝胶材料丝，逐层形成所需物体。可实现的最小特征尺寸为0.6毫米。

柔软且有弹性的材料是开发软体机器人驱动器的必要条件。纤维素、藻酸盐和明胶等生物聚合物已被用于生产工程应用的可生物降解材料。 奥地利团队为本次研究开发了一种具有高弹性（极限形变500%）的明胶基水凝胶（生物凝胶）。

明胶是一种水解胶原蛋白，通常用于食品。它是一种无味、无色的聚合物，取自动物身体的部位。由于用途广泛，它被应用于包括组织工程和光纤在内的多种工程领域。

奥地利团队所获得的材料特性，是在明胶中加入甘油和糖浆的结果。此外，柠檬酸可以抑制细菌生长。这一理想配方使材料在污水中数天内即可被酶解，并在环境条件下保质期超过一年。

这种生物凝胶可用于制造软体气动驱动器，可向任意方向弯曲至74度。此外，该生物凝胶最多可重复用于打印五次。

研究团队考察了生物凝胶加热、储存和重复使用的影响。他们注意到，材料的极限形变在24小时后降至470%，但这一数值仍比模具成型制造的生物凝胶高出140%。

他们的生物凝胶在环境条件下储存12天后，极限形变仍保持在430%以上，远高于软体机器人应用所需的200%。

奥地利研究人员还使用该生物凝胶打印了波导，这些波导可通过透射光的损失来检测形变。他们还能通过调节生物凝胶中的含水量来调整波导的折射率。

最后，科学家打印了一个三腔驱动器（高60毫米，直径16.6毫米）。三个电动气压调节器、一个统一气压源以及并联排列的充气腔，实现了全向运动。

通过绘制驱动状态与对应气压值的二维图，他们可以用标准游戏手柄控制机器人。团队还编写了搜索与清理程序，以展示机器人的能力，使其能够探测并清除障碍物。

将可拉伸的波导与软体驱动器结合后，奥地利科学家能够高精度地控制弯曲度、方向和测力，同时降低生产成本并减少废料。

研究人员认为，他们的技术终将催生微小的软体机器人，这些机器人可在体内游动，输送药物或修复受损组织。“明胶机器人”还可用于进入辐射水平较高等敏感环境。该技术甚至可用于制造儿童玩具。