支撑3D打印软机器人的四大核心材料

 作为研究领域中的一个新兴领域,软机器人技术自从出现以来就备受3D打印厂商的青睐。如今,3D打印已成为软机器人领域中完全集成的制造过程。
 
  但是在面对全打印的软机器人制造时,3D打印还存在着一些不足,其中一个就是:缺乏打印软机器人所需的高性能材料。
 
  以色列希伯来大学的Ela Sachyani Keneth等人在《Advanced Materials》上发表了一篇题为“用于软机器人的3D打印材料”的综述文章。
 
  文章中仔细讨论了用于3D打印的高性能材料,并总结了用于3D打印软机器人所需的材料,其中包括高性能的柔性和可拉伸材料、水凝胶、自修复材料和形状记忆聚合物。
 
  高性能的柔性和可拉伸材料
 
  兼具这两种特点的3D打印材料主要有PVC和TPE。PVC材料多指聚氯乙烯,是一种含氯的碳氢化合物;TPE材料,又名热塑性弹性体,属于碳氢化合物,兼有塑料和橡胶两种特性。
 
  PVC材料曾是世界上产量最大的通用塑料,应用于诸多领域,如日用品、地板革、人造革、管材、电线电缆、包装膜、瓶。而TPE材料作为新一代的合成橡胶,其应用范围没有PVC那么广泛,不过目前TPE材料已开始取代部分传统合成橡胶,应用领域不断扩大。
 
  作为新一代材料,TPE在机械性能、硬度、比重、环保等多个方面都要优于PVC材料。目前市面上,美国特诺尔爱佩斯(Teknor Apex Company)的TPE材料很受用户的喜爱,主要材料型号有:Medalist MD-84348、Medalist MD-8431、Medalist MD-84368。
 
  水凝胶
 
  水凝胶,有时也叫做胶体凝胶,是一类极为亲水的三维网络结构凝胶,可以在水中迅速溶胀并在溶胀状态时保持大量体积的水而不溶解。
 
  类似于生物软组织,水凝胶具有独特的微环境(高含水量和通透性)和自适应的特点,不仅适用于3D打印软机器人,更是在调湿剂、伤口敷料、食品保鲜剂及柔性电子器件等多个领域展现出巨大的应用潜力。但传统的水凝胶的力学性能一般,导致其实际应用很是受限。
 
  幸运的是,在2020年11月30日,中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室研究员王晓龙及其团队通过构筑双物理交联网络实现了超高强韧水凝胶的 3D 打印,这一研究成果极大地扩大了水凝胶的实际应用。
 
  随着技术的不断研发,不同材料制成的水凝胶也逐渐出现,展现出了很多新的特性,例如自愈、多重刺激反应、超湿润性等。
 
  新型自修复材料
 
  二十世纪六十年代,“自我修复材料”的设想就已经出现,但由于它的实现技术太过于复杂,导致这种新型材料是始终只是一种假设。直到进入21世纪,随着技术的突破与进展这种新型材料才开始出现在大众面前。
 
  自修复材料是一种通过模拟生物体损伤自修复的机理,在材料受损时能够进行自我修复的智能材料。
 
  这种材料有两种不同的修复机理,一种是将自修复材料注入到聚合物内,当物体开裂时,注入的材料就会释放出来,对受损的物体表面进行自动修复;另一种当物体被损坏时,通过加热、光照等方式向材料提供能量,使其发生结晶、成膜或交联等作用来实现修复。
 
  自修复材料的应用范围极为广泛,包括电子产品、汽车、飞机、建筑材料等领域,其中以其在智能手机和平板电脑屏幕上的应用广受关注(避免因平面损坏而重复更换电子设备)。
 
  目前,市面上用于3D打印的自修复材料有几种型号,其中包括:Argotec公司(美)生产的ArgoGUARDSelect 49510-60DV-AM、Polymer Dynamix公司(美)生产的EverGlide 1908和洛德公司(美)生产的Thermoset Plastics SC-139。
 
  虽然起步较晚,但随着全球研究人员的持续投入、研发,截至目前已经在3D打印的自修复材料取得了很多突破。
 
  在我国,南京大学化学化工学院自修复材料课题组在该领域取得了很大进展。该单位投身于功能化自修复材料的研究,课题组成员将自修复材料引入到3D打印中,有效解决了两个问题:产品在打印过程中受损问题和打印机无法打印比自身尺寸更大产品的问题。
 
  此前不久,南加州大学Viterbi工学院研究员们开发了一种新型的3D打印橡胶材料,可以实现材料的自我修复功能。利用该材料可以在20分钟内打印出一个完整的物体,当这种材料被切成两半后,在60摄氏度下,它只需2个小时就可完全愈合,恢复其强度和功能,该速度远远超出了已有的自修复材料。
 
  虽然目前自修复材料更多的还是处于研究阶段,但随着科技的进步,相信用不了多久,将会有更多用于3D打印的自修复材料进入市场,给3D打印行业带来新的活力。
 
  形状记忆聚合物
 
  形状记忆聚合物(SMP),又称为形状记忆高分子,是指具有初始形状的制品在在外界环境条件(温度、光照、湿度等)变化的刺激下,可恢复其初始形状的高分子材料。
 
  由发现至今,国内外学者发现了多种具有该功能的材料,其中包括:环氧、苯乙烯、氰酸酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯等。
 
  目前,用于3D打印的形状记忆聚合物材料还不太多。最近的一次是去年9月份,哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员宣布开发出一种3D打印材料,该材料可以预先编程为具有可逆的形状记忆功能,其主要材料为主原纤维角蛋白,纤维的恢复效率几乎达到了100%。
 
  虽然目前形状记忆聚合物材料种类还很有限,但其已经在多个领域凸显出了巨大应用潜力一定会激励着国内外的研究员持续地研发。此外,作为可变形材料的一种,形状记忆聚合物材料也将助力于4D打印,为生物医疗领域的进一步发展提供了新的契机。
 
  3D打印能够以相对简单的方式形成复杂结构的特点,能极大地减少软机器人的生产步骤,同时降低生产成本。如今,3D打印已然成为制造软机器人的一种常用且广泛使用的技术。
 
  2021年1月7日,通过采用3D打印技术,天津大学团队打印出了一种可定制的模块式软体机器人,能够比以前更灵活地检查管道。
 
  虽然目前还存在缺少3D打印软机器人高性能材料的不足,但随着技术的不断进步,一定会有各种各样的高性能材料出现,届时就可以使用各种3D打印技术打印软机器人。
 
  时代在不断进步、科学在不断发展,相信用不了多久,3D打印软机器人研发方面,就会有更多的成果传来,未来3D打印的软机器人将会成为人类生产、生活中最重要的组成部分。
文章链接:智能制造网 https://www.gkzhan.com/news/detail/129077.html

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