Medan filmen "Transformers" introducerade intelligenta robotar som växlade mellan former med flera funktioner, forskare utvecklar intelligenta mjuka transformatorer för att avsevärt påskynda forskningstillämpningar i labbet. I en ny rapport som nu publicerats i Avancerade intelligenta system , Dachuan Zhang och ett forskargrupp inom materialvetenskap och kemiska vetenskaper i Kina, föreslog en fjärrstyrd mjuk transformator baserad på ett hydrogelsystem med formminne. Teamet erhöll hydrogel genom att bädda in magnetit (Fe ₃ O ₄ ) magnetiska nanopartiklar till en dubbel nätverkspolymerstruktur av poly (N- (2-hydroxietyl) akrylamid) innehållande gelatin.

Den reversibla spol-trippel-helix-transformationen av gelatinbeståndsdelen genomsyrade hydrogeln med formminne och självläkande egenskaper, medan magnetitnanopartiklarna gav fototermisk uppvärmning och magnetiska manipulationsfunktioner för att deformera hydrogeln för navigering i ett magnetfält. Teamet kunde sedan återställa den deformerade formen via formåterställning med ljusbestrålning. Zhang et al. fjärrstyrt formminnesprocesserna genom magnetiskt driven manövrering och ljusassisterat formminne. Som bevis på konceptet, de skapade en rad robotar, inklusive en hydrogelidrottare som kan göra sit-ups, hydrogeltransformatorer, en lotus i full blom, och en hydrogel -rymdfarkost som kan dockas i luft. Arbetet kommer att inspirera till design och tillverkning av nya smarta polymersystem med synkroniserade flera funktioner.

Forma minne hydrogeler

Medan de fiktiva transformatorerna tillät hårda robotar att förvandlas till någon form inklusive fordon, mjuka transformatorer är av större intresse för grundforskning och tillämpningar inom biovetenskap. I det här arbetet, Zhang et al. beskrev en fototermiskt och magnetiskt styrd formminneshydrogel. De kombinerade en kemiskt tvärbunden polymer och ett reversibelt tvärbundet gelatinnätverk inbäddat med magnetitnanopartiklar för att skapa en fototermisk och flexibel, självläkande konstruktion som kan manipuleras magnetiskt. Formminneshydrogeler (SMH) har fått ökad uppmärksamhet eftersom intelligenta polymermaterial och forskare strävar efter att fjärrstyra sådana material för att upprätta olika påverkande beteenden.

Till exempel, formminne-polymerer kan fixa tillfälliga former och återställa sin arkitektur under yttre stimuli, med ökande intresse för biomedicinska, textil, flexibel elektronik och datakrypteringsdiscipliner. Magnetiska nanopartiklar är effektiva tillsatser för att införa fjärrstyrd beröringsfri aktivering. När hydrogeler belyses med nära-infrarött (NIR) ljus, dessa magnetiska nanopartiklar kommer kontinuerligt att omvandla ljus till värme, vilket gör att hydrogelen upphettas. Detta kommer att orsaka reversibel deformation av hydrogel för applikationer som fritt rörliga mjuka robotar. Denna strategi kommer att bidra till att främja utvecklingen av nya formminneshydrogelsystem för applikationer som obundna robotar.

Egenskaper hos formminnehydrogeler

Eftersom formminnehydrogeler stabilt och tillfälligt kan memorera sin form och återställa den ursprungliga formen perfekt under specifika stimuli, laget genomförde böjningstester med materialet, som de förkortade till HG för dess ingående polymerer. De nedsänkte sedan ett prov i varmt vatten (60 grader Celsius) i 30 sekunder för att framkalla uppdelning för att mjuka upp hydrogel, avlägsnade det från mediet och återhämtade formerna efter att ha nedsänkt hydrogeler i varmt vatten (60 grader Celsius). Zhang et al. genomförde en serie kontrollerade experiment för att verifiera de faktorer som påverkar hydrogelns formminnesprestanda. Som bevis på konceptet, laget designade och utvecklade en hydrogelblomma för att perfekt efterlikna blomningen av en lotus.

När forskarna introducerade magnetit-nanopartiklar för att bilda HG-Fe ₃ O ₄ hydrogel, beståndsdelarna kan absorbera och omvandla ljus till värme med ljusbestrålning, orsakar temperaturen på hydrogeln att öka. Under ljus-till-värme-omvandling, materialet uppnådde fotoaktiverad självläkning. För att demonstrera detta fenomen, laget skapade en HG-Fe ₃ O ₄ hydrogel rymdstation under ett magnetfält och applicerade NIR för att bestråla kontakterna och docka rymdfarkostliknande konstruktion med en rymdstationsliknande kontakt för att förverkliga självläkning och återanslutning i luft.

Återställa former genom fototermiska effekter och fjärrstyra formminnesprocesser

Teamet kunde bara uppnå formåterställning för HG-hydrogel genom att reglera temperaturen till ett specifikt värde, i frånvaro av magnetit -nanopartiklar. Tillsatsen av magnetit gav magnetiska egenskaper till HG-Fe ₃ O ₄ hydrogel för att möjliggöra fjärrstyrda formminnesåterhämtningscykler. Som bevis på konceptet, laget utvecklade en formövergångsrobot i form av en hydrogelidrottare för att deformeras från 2-D till 3-D. I avsaknad av NIR och närvaron av en magnet, hydrogelidrottaren kunde "skjuta upp" snabbt, återställ sedan sin form till den platta konformationen vid avlägsnande av magneten. I den andra inställningen, de slog på NIR och lyfte hydrogelidrottaren med en magnet, höll sedan magneten på i två minuter medan NIR stängdes av för att låta idrottaren svalna. Teamet frös denna gest under en tidsram, varefter de tillät roboten att återgå till sin ursprungliga position genom att slå på NIR igen. Denna teknik kan användas för att utveckla mjuka gripare som är fördelaktiga för applikationer som kirurgiska robotar i translationell forskning.

Teamet använde också samspelet mellan permanentmagneter och de ingående magnetitnanopartiklarna i HG-Fe ₃ O ₄ hydrogel för att styra konstruktionen för riktad navigering. Med hjälp av hydrogel, de visade hur magnetinducerad riktad navigering kunde leda en mjuk transformator genom en labyrint. Sådana experimentella koncept har potential för en rad tillämpningar som mjuka bärare för att transportera last för läkemedelsleverans och utsläpp i biomedicin.

Utsikter för mjuka transformatorer inom biovetenskap

På det här sättet, Dachuan Zhang och kollegor utvecklade en ny och effektiv metod för att bygga mjuka hydrogeltransformatorer med magnetiska och fototermiska egenskaper integrerade i ett formminnehydrogel (SMH) -system. Det resulterande HG-Fe ₃ O ₄ hydrogeler hade mycket fördelaktiga egenskaper inklusive icke -kontaktformform, magnetisk aktivering, fototermisk prestanda, självläkande och riktad navigering i vatten och luft. Teamet utvecklade en serie proof-of-concept mjuka robotar för att demonstrera de dynamiska egenskaperna hos SMH-systemet och tror att detta designkoncept kommer att inspirera utvecklingen av nya intelligenta system för applikationer inom bioingenjör och biomedicin.

© 2020 Science X Network