受植物启发:开发能够像植物一样生长的合成材料生长新工艺

【字体: 时间:2022年10月01日 来源:生物通

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  以植物为灵感,明尼苏达大学双城分校的一个跨学科团队的研究人员开发了一种新的使合成材料生长的新工艺,创造了一个能从液体不断建立自己固体身体的软机器人,有望用于难以到达的地方和复杂的地形。

  
   

Student working with soft robot    

图片:明尼苏达大学双城分校的研究人员正在操控一个柔软生长的机器人。    


一个由明尼苏达大学双城分校的科学家和工程师组成的跨学科团队开发了一种前所未有的、使合成材料能够生长的新工艺。这种新方法将允许研究人员建造更好的软机器人,可以在难以到达的地方、复杂的地形和人体内部潜在的区域导航。这篇论文发表在《美国国家科学院学报(PNAS)》期刊上,为生物学和材料学的结合应用提供了一种启发。

许多自然生物如真菌菌丝和植物根在其尖端生长,Tip growth展示了材料合成和驱动耦合的示例性过程,为如何在合成系统中实现生长提供了蓝图。研究人员受植物和真菌生长的启发,开发出一种基于自润滑光聚合和挤出的合成材料生长的新工艺。这种策略使一种新的、连续的、基于光的异形零件制造方法成为可能,这是此前最先进的三维(3D)打印或其他方法所无法做到的。研究人员利用这种材料生长模式来生产一种能够快速持续生长的软体机器人,从而解决了软体机器人成长过程中由于扩展性有限、缺乏永久结构和无法通过曲折路径而产生的主要限制,展示了软体机器人成长在制造和软体机器人领域提供新能力的潜力。

软机器人是一个新兴的领域,机器人由柔软、柔韧的材料制成,而不是刚性的材料。软生长机器人可以“制造新材料”,在移动中“生长”,可用于人类无法到达的曲折复杂部位的操作,如检查或安装地下管道,或在人体内部进行生物医学应用导航。此前的软生长机器人会拖着身后的固体材料,并通过加热和/或压力将这些材料转化为更持久的结构,就像3D打印机被注入固体纤维来生产其形状的产品一样。然而,固体材料的轨迹在弯曲和转弯处变得更加困难,这使得机器人很难在有障碍的地形或蜿蜒的路径上导航。

当植物向外生长时,植物利用水来运输构建材料,在根尖转化为坚实的根。明尼苏达大学的研究小组确定了生物有机体尖端生长的三个基本原理:流体压力产生驱动力,局部聚合产生结构,流体介导的成分物质运输。根据这些特性,研究人员开发出一种被称为自润滑界面光聚合挤出(E-SLIP)的合成材料生长过程,该过程可以连续地用液态的原材料将材料从一个开口推入,利用光聚合技术、制造出机械性能可调的固体轮廓聚合物部件。用这种技术,软机器人可以更容易地通过障碍和弯曲的路径,而不需要拖任何固体材料在它后面。为了展示E-SLIP的实用性,研究人员创建了一个尖端生长的软机器人,介绍了其基本的控制原理,并突出了其生长速度高达12厘米/分钟和长度高达1.5米的能力。这种不断“生长”的软机器人能够执行一系列任务,包括探索、挖掘和穿越曲折的路径,这突出了合成增长作为一个平台的潜力,用于各种环境下的基础设施、勘探和传感的按需制造。

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“这是第一次从根本上证明这些概念,”该论文的第一作者、明尼苏达大学双城分校化学工程与材料科学系教授Chris Ellison表示,“开发新的制造方式对我们国家的竞争力和给人们带来新产品至关重要。在机器人方面,机器人被越来越多地用于危险、偏远的环境,而这些正是这项工作可能产生影响的领域。”这篇论文的另一作者、明尼苏达大学双城分校化学工程与材料科学系的博士Matthew Hausladen说:“我们真的受到了植物和真菌生长方式的启发。”“我们采纳了植物和真菌在其身体末端添加物质的想法,要么在根尖上,要么在新芽上,我们将其转化为一个工程系统。”

这种新工艺在制造业中也有应用。由于研究人员的技术只使用液体和光,使用热、压和昂贵的机器来创造和塑造材料的操作可能不需要。

Movie S1.

Extrusion by self-lubricated interface photopolymerization (E-SLIP) process producing photopolymer part.


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