北理工在水凝膠紡織軟體機(jī)器人方面取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-10-27 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 段翔宇 攝影：段翔宇
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近日,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院趙揚(yáng)特別研究員與合作者在水凝膠紡絲與軟體機(jī)器人方向取得重要進(jìn)展,。研究成果以“Large-Scale Spinning Approach to Engineering Knittable Hydrogel Fiber for Soft Robots”為題，于10月19日在線發(fā)表于ACS Nano,，論文鏈接為https：//pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04382,。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院本科生段翔宇與于靜怡為共同第一作者，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院趙揚(yáng)特別研究員為通訊作者,。北京理工大學(xué)為第一通訊單位,。
功能材料的加工成型，是新型刺激響應(yīng)軟體機(jī)器人研究的難點(diǎn)之一,。與此同時(shí),，纖維的加工成型技術(shù)已在紡織工業(yè)中受到廣泛的研究與應(yīng)用。若將水凝膠纖維加工成為軟體機(jī)器人,，水凝膠纖維的快速刺激響應(yīng)能力與柔韌性將有效的提升軟體機(jī)器人性能,。然而，目前刺激響應(yīng)凝膠纖維的發(fā)展主要面臨兩個(gè)難點(diǎn)：第一,，已有水凝膠纖維的生產(chǎn)工藝的兼容性差,，目前已有的微流控紡絲、靜電紡絲,、熔融紡絲,，和墨水直寫紡絲等方法均對(duì)纖維單體溶液的物理性質(zhì)有額外要求或需要相對(duì)快速的固化過(guò)程；第二，水凝膠纖維由于其含水量較高,，機(jī)械強(qiáng)度差,，在低應(yīng)力下便會(huì)發(fā)生斷裂，無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜或自動(dòng)化的加工,。因此,，現(xiàn)有報(bào)導(dǎo)水凝膠編織均僅限于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，且由刺激響應(yīng)水凝膠編織而成的軟體機(jī)器人尚未見報(bào)導(dǎo),。
圖2. 自潤(rùn)滑紡絲方法與水凝膠纖維表征
基于此,，本文作者提出了一種利用水凝膠前體溶液聚合過(guò)程中線性高分子自由移動(dòng)產(chǎn)生潤(rùn)滑層（自潤(rùn)滑現(xiàn)象）的紡絲方法，并利用三甘醇的干燥與塑化效應(yīng)將制備的纖維強(qiáng)度有效提升,。其中水凝膠前體溶液由線性高分子聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸） (PAMPS),，單體丙烯酰胺(AAm)構(gòu)成。在聚合過(guò)程中,，AAm逐漸通過(guò)自由基聚合形成三維高分子網(wǎng)絡(luò),，而PAMPS不參與反應(yīng)并在前體溶液中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，不可避免的,，部分PAMPS會(huì)被部分/全部排出到PAAm形成的網(wǎng)絡(luò)之外,，并可相對(duì)自由的移動(dòng)。此層表面的PAMPS與溶劑水分子一起,，形成了潤(rùn)滑層,，將水凝膠網(wǎng)絡(luò)與容器分離，并潤(rùn)滑水凝膠網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng),?；诖耍芯咳藛T提出了一種自潤(rùn)滑紡絲工藝（圖2）,。
圖3. 凝膠纖維電響應(yīng)與拉伸強(qiáng)度表征
然而此纖維機(jī)械強(qiáng)度依舊不足以支持進(jìn)一步的加工與應(yīng)用,。因此，作者將水凝膠纖維置于三甘醇中對(duì)其進(jìn)行了溶劑置換,，在此過(guò)程中,，水凝膠纖維中的水分子被移除，帶來(lái)機(jī)械強(qiáng)度提高,，同時(shí)少量三甘醇進(jìn)入到凝膠網(wǎng)絡(luò)中,，相較簡(jiǎn)單干燥的干膠纖維，三甘醇置換所得的凝膠網(wǎng)絡(luò)得以維持一定柔韌性,。
圖4. 凝膠纖維編織結(jié)構(gòu)
纖維在之后被利用不同的紡織方法制成為鉤針花,、機(jī)編布、堆積圓柱與五角星,、辮子,，空心籠等形狀。
圖5. 凝膠纖維軟體機(jī)器人
最后，作者利用COMSOL有限元模擬輔助進(jìn)行了電極的設(shè)計(jì),，將電極與編織結(jié)構(gòu)相結(jié)合，制造出了一系列水下仿生軟體機(jī)器人,。
附個(gè)人簡(jiǎn)介：
趙揚(yáng),，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別研究員、博士生導(dǎo)師,。以第一或通訊作者身份發(fā)表SCI論文38篇,，其中包括JACS、Angew.Chem.Int.Ed.,、Adv.Mater.,、Energy Environ.Sci.、ACS Nano等,，累計(jì)共發(fā)表SCI論文90余篇,，ESI高被引論文4篇，文章引用次數(shù)達(dá)8000余次,，授權(quán)專利4項(xiàng),，其中1項(xiàng)成果已經(jīng)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。1篇論文榮獲2012年度“中國(guó)百篇最具影響國(guó)際學(xué)術(shù)論文”,。主持多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金及北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目,，同時(shí)參與多項(xiàng)國(guó)家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展（973）計(jì)劃課題、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目,、軍口預(yù)研項(xiàng)目等,。入選北京市自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年人才。
段翔宇：化學(xué)與化工學(xué)院2015級(jí)本科生,。2019-2020年,，進(jìn)入曲良體教授課題組并在趙揚(yáng)研究員指導(dǎo)下開展本課題研究；2017-2019年,，進(jìn)入化學(xué)與化工學(xué)院王博教授課題組從事MOF材料研究并作為第三作者在Angew.Chem.Int.Ed.發(fā)表論文1篇,；2015-2017年，作為大創(chuàng)基地分管理化分支的第一,、二屆生態(tài)坊坊主進(jìn)行了一定的科研,，取得了3個(gè)市級(jí)競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)。
于靜怡：化學(xué)與化工學(xué)院2016級(jí)本科生,。2017年,，進(jìn)入化學(xué)與化工學(xué)院曲良體教授課題組開展鋰硫電池陰極材料相關(guān)課題，并作為第二作者在Carbon發(fā)表論文1篇,；2019年開始在趙揚(yáng)研究員指導(dǎo)下開展本課題研究,；2017-2018年，作為大創(chuàng)基地分管理化分支的第三屆生態(tài)坊坊主完成了一些大學(xué)生創(chuàng)新課題，取得了1個(gè)市級(jí)競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng),，1個(gè)國(guó)家級(jí)競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng),。
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