Напечатанный на 3D-принтере гидрогель прошелся в воде

Исследователи из США и Южной Кореи научились с помощью 3D-печати создавать сложные актуаторы из гидрогеля. На их базе авторы создали несколько устройств, которые управляются внешним электрическим полем, могут захватывать и перемещать предметы, а также ходить, сообщается в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Поскольку в медицинских устройствах нежелательно использовать жесткие элементы, соприкасающиеся с телом или внутренними органами, инженеры разрабатывают мягкие устройства. В качестве источника движения мягкие роботы используют моторы, а также пневматические или гидравлические приводы, которые занимают много места и из-за своей сложности не слишком надежны. В качестве альтернативы исследователи предлагают использовать искусственные мышцы, которые могут сжиматься, расширяться или изгибаться, и не состоят из массивных конструкций.

Группа исследователей под руководством Хо-Вон Ли (Howon Lee) из Ратгерского университета разработали метод 3D-печати актуаторов сложных форм из гидрогеля. В качестве материала они выбрали электроактивируемый гидрогель, значительно меняющий свою форму под действием электрического поля. После попадания в раствор электролита его карбоксильные группы ионизируются и внутри материала появляется множество свободных катионов, а сам материал становится отрицательно заряженным. Поскольку концентрации катионов в гидрогеле и окружающем электролите различаются, возникает осмотическое давление, которое компенсируется молекулами воды из раствора электролита. После того, как вокруг гидрогеля появляется электрическое поле, катионы притягиваются к катоду и осмотическое давление с разных сторон гидгогеля становится разным, в результате чего одна из сторон начинает впитывать в себя больше воды и вся конструкция изгибается.

Для того, чтобы придать гидрогелю сложную форму и превратить его в функциональный актуатор, исследователи использовали метод проекционной микростереолитографии. Во время такой 3D-печати прекурсор для полимера находится в поддоне с двигающейся подложкой. Ультрафиолетовый излучатель светит на динамический шаблон, отображающий схему печатаемого слоя, и отражающий излучение на прекурсор. Таким образом свет попадает только на нужные участки, которые затвердевают.

Таким способом исследователи создали несколько актуаторов, в том числе захват для небольших предметов, устройство, способное захватывать и перемещать предметы, а также небольшую модель человека, умеющую ходить в разные стороны. Все они работают в натрий-фосфатном буфере и приводятся в движение с помощью поля, создаваемого электродами.

В прошлом году американские инженеры создали из гидрогеля мягкие и прозрачные гидравлические актуаторы. А в 2016 году исследователи из Гарварда создали двигающегося робота-осьминога, во всех элементах которого используются только мягкие материалы.

Григорий Копиев