تعریق خودکار در عملگرهای هیدروژل چاپ‌شده سه‌بعدی

چاپ‌شده در: مجله Science به تاریخ ۲۹ ژانویه ۲۰۲۰
نویسندگان: Anand K. Mishra و همکاران
لینک مقاله اصلی: https://robotics.sciencemag.org/content/5/38/eaaz3918

این مقاله توسط ربات ترجمیار و به صورت خودکار ترجمه شده و می‌تواند به صورت محدود دارای اشکالات ترجمه باشد.

چکیده: در هر دو سیستم بیولوژیکی و مهندسی، عملکرد در اوج توان خروجی برای دوره‌های طولانی نیازمند تنظیم گرمایی است. در اینجا، ما یک محرک بر پایه هیدروژل نرم را گزارش می‌کنیم که می‌تواند دمای ثابت بدن را از طریق عرق اتونوم حفظ کند. با استفاده از استریوالیتوگرافی چندموادی، ما عملگرهای الاستومری انگشت مانند فلویید دارای یک بدنه پلی - N ایزوپروپیل آکریل آمید (PNIPAm) با یک لایه پشتی میکرومتخلخل (حدود ۲۰۰ میکرومتر) پلی آکریل آمید (PAam) پوشش داده‌ایم. واکنش شیمیایی مکانیکی این مواد هیدروژل به گونه‌ای است که، در دماهای پایین (۳۰ درجه سانتی گراد)، منافذ به اندازه کافی بسته هستند تا امکان اعمال فشار و تحریک را فراهم کنند، در حالی که در دماهای بالا (۳۰ درجه سانتی گراد)، منافذ برای فعال کردن عرق موضعی در محرک هیدرولیکی تقسیم می‌شوند. چنین محرک‌های عرقی، افزایش ۶۰۰ درصدی در نرخ سرد شدن (یعنی ۳۹.۱ درجه سانتیگراد بر دقیقه) را بر روی وسایل مشابه بدون عرق نشان می‌دهند. با ترکیب عملگرهای انگشت چندگانه در یک دستگاه، یک گیره رباتیک نرم با قابلیت دستکاری مکانیکی و گرمایی اشیا مختلف حرارت دیده به دست می‌آید. عملکرد ترموتنظیمی اندازه‌گیری شده این عملگرها (حدود ۱۰۷ وات بر کیلوگرم) به میزان زیادی از ظرفیت خنک‌کننده تبخیری موجود در بهترین سیستم‌های حیوانی (حدود ۳۵ وات بر کیلوگرم) با هزینه کاهش موقت در بازده تحریک بیشتر.

مقدمه

در برخی پستانداران، توانایی پایین آوردن دمای بدن از طریق عرق کردن و خنک کردن تبخیری، تحمل بیشتری را در طول فعالیت‌های شدید فراهم می‌کند. این انطباق تکاملی، همراه با بی‌مویی نسبی، به احتمال زیاد انسان‌های اولیه را قادر به برتری به عنوان «شکارچیان پایدار»، قادر به شکار خسته‌کننده از یک تعقیب طولانی با وجود سرعت نسبتا آهسته‌تر می‌کرد (۱). عرق کردن از آنتالپی بالای بخار آب (ΔHvap ~ ۴۰ kJ mol - ۱) بهره می‌برد و میزان عرق (در انسان‌ها) تا ۳.۵ لیتر در ساعت متناظر با حدود ۲.۴ KW ظرفیت خنک کنندگی ایجاد می‌کند.(۲)

در سیستم‌های مهندسی، تبدیل انرژی ذخیره‌شده به کار مفید هرگز به طور کامل کارآمد نیست و گرما به سیستم منتقل می‌شود. اثرات جانبی ناشی از گرمای بیش از حد زیاد است و شامل انبساط حرارتی، تنش ناشی از گرادیان دمایی، یا تغییر در تحرک الکترونی در مدار می‌شود. بنابراین، عملکرد پایدار دستگاه نیاز به مدیریت حرارتی مناسب دارد، مانند ترکیب انباشت‌هایی که گرما را از طریق هدایت، همرفت و تابش جذب و پخش می‌کنند. مفاهیم عملی تنظیم دما، طرح‌های موجود را محدود می‌کند و حداکثر چگالی توان قابل‌دسترس اجزا را محدود می‌کند. اخیرا، کوزوکی و همکاران یک ربات انسان‌نما را نشان دادند که قادر به عرق کردن مصنوعی از طریق یک اسکلت متخلخل آلومینیومی است که حدود ۰.۹ وات بر سانتی متر مربع گرما را از بین می‌برد (۳، ۴). این خنک سازی موثر، ربات را قادر می‌سازد که به طور مداوم «حرکت شنا» را برای بیش از ۱۱ دقیقه بدون نقص حرکتی تکرار کند (۳).

زمینه نوظهور رباتیک نرم، حرکات حیوان مانند را از طریق تحریک پیوسته و تعاملات همدیس با محیط از طریق مواد سازگار ارایه می‌دهد. یک کاربرد جالب این سیستم‌ها، برقراری ارتباط ایمن بین اجزای رباتیک و بافت‌های انسانی است (۵). با وجود استفاده از سیستم‌های تحریک که گرمای قابل‌توجهی (فشار عایق، تجزیه گرمازای سوخت پراکسید و احتراق هیدروکربن‌ها) یا تحریک ناشی از دمای بالای بدن (گرمایش مقاومتی و انتقال فاز) را آزاد می‌کنند، تعداد کمی از روبات‌های نرم دارای ویژگی‌های اختصاصی برای سرد کردن هستند (۹ - ۶). برخلاف فلزات، بسیاری از سیستم‌های الاستومر دارای ضریب انبساط حرارتی بیشتر (α سیلیکون تا ۱۰ α آلومینیوم) و ضریب هدایت حرارتی کم‌تر در دمای محیط هستند (Ksilicone ~ 0.2 W m−1 K−1 << Kaluminum ~ 200 W m−1 K−1). به علاوه، برای ژل‌های الاستومری، نوسانات دما ممکن است حجم فازه‌ای مایع پیچیده شده را تغییر دهد. از آنجا که مدول یانگ، E، در لاستیک‌های متصل به هم، متناسب با چگالی پیوند عرضی حجمی، v است، این انحراف‌ها و دیگر اثرات دما بر عملکرد مکانیکی تاثیر می‌گذارند (برای جزییات به بخش S۱ مراجعه کنید). روبات‌های نرم با کنترل اختلاف کرنش عمل می‌کنند و واریانس شکل و سختی ناشی از نوسان حرارتی قابلیت اطمینان و دقت این دستگاه‌ها را تهدید می‌کند. برای حمایت از پیشرفت رباتیک نرم به استقلال توان بالا، سیستم‌های تنظیم حرارتی سازگار با مکانیسم‌ها باید توسعه یابند (۱۱، ۱۲).

در اینجا ما یک دستگاه نرم با تحریک هیدرولیکی را نشان می‌دهیم، یک دست، که گرما از طریق عرق کردن خود مختار و محلی شده از طریق منافذ ریز مقیاس تنظیم می‌کند. برخلاف روبات‌های نرم با تحریک هیدرولیکی (۱۳) که قبلا گزارش شده، دست ما دارای منافذ پویایی است که ابعاد را با دما و بافت سطح بالا تغییر می‌دهد و خنک کاری تبخیری را افزایش می‌دهد. ما انگشتان این دست را با استفاده از یک روش استریولیتوگرافی چند موادی سفارشی (SLA) سه‌بعدی (۳ D) چاپ (۱۴ - ۱۶) برای عملگرهای انگشت مانند فوتوپلی مریزاسیون انتخابی متشکل از دو ماده هیدروژل با پاسخ‌های متمایز به دما - یک بدنه محرک پلی - N ایزوپروپیل آکریلامید (PNIPam)که با یک لایه پلی آکریل آمید متخلخل (PAam) پوشانده شده‌است، ساختیم. در دماهای پایین (T ≤ 30°C)انگشتان دست مانند یک محرک الاستومر سیال عمل می‌کنند. در دماهای بالاتر (T > 30°C)، لایه PAAm منبسط می‌شود و باعث می‌شود منافذ قطر خود را افزایش دهند که منجر به «عرق کردن» مایع تحت فشار از محرک می‌شود. سیستم عرق گیری خودکار ما محرک را از طریق تبخیر سرد می‌کند، و کاهش ΔT ~ 21°C را در دمای سطح این محرک‌های مدرج عملکردی در عرض ۳۰ ثانیه زمانی که دمای سیال تحریک شده‌است، (Thyd ~ 70°C) تولید می‌کند.

طراحی مواد برای انجام تعریق اتونوم

هیدروژل ها شبکه‌های پلیمری محلول در آب هستند که مواد ایده‌آل برای رباتیک نرم به دلیل مدول الاستیک در رژیم بسیاری از بافت‌های زیستی نرم هستند. (1 kPa < E < 10 MPa) سیستم‌های ژل با کسر حجمی بالای آب می‌توانند به عنوان ذخایر گرمایی عمل کنند تا شروع آسیب گرمایی را به تاخیر بیندازند (۱۷، ۱۸). محرک‌های مبتنی بر هیدروژل اولیه از نظر اسمزی «ژل‌های هوشمند» بودند که شکل خود را با جذب و یا خارج کردن مقادیر زیادی حلال در پاسخ به محرک‌های محیطی تغییر می‌دادند (۱۹). آکریلات‌ها [CH2═CH(C═O) O─R] به دلیل تعداد زیاد گونه‌های تجاری موجود و توانایی آن‌ها برای شرکت در هر دو پلی مریزاسیون رادیکال آزاد آغاز شده به روش نوری و حرارتی، اجزای ایده‌آل در جوهره‌ای هیدروژل سفارشی هستند (۲۰). گروه‌های جانبی متغیر (R)سازگاری ترمودینامیکی ماده با حلال را تعیین می‌کنند. به عنوان مثال، محلول‌های آبی NIPAm دمای محلول بحرانی پایین تری دارند (LCST)؛ نیمه ایزوپروپیل متصل به گروه اکریلات، آبگریزی، یا یک شکاف امتزاج پذیری را وقتی T ≥ 30°C است القا می‌کند. اگرچه گروه آمید آبدوست در Aam به اندازه دما حساس نیست، اضافه کردن Aam به یک محلول NIPAM حلالیت آبی را بهبود می‌بخشد، LCST را بالا می‌برد، سرعت پلیمریزاسیون را افزایش می‌دهد و کوپلیمر حاصل را تقویت می‌کند. ما ایجاد دو جوهر هیدروژل را انتخاب کردیم: یکی از آن‌ها از مونومرهای AAm و یک جوهر کوپلیمری متشکل از هر دو مونومرهای NIPAm و AAm در یک نسبت مولی ۳: ۱ تشکیل شده‌است. همانطور که در شکل ۱ A، نشان‌داده شده‌است ما همچنین نانوذرات اکسید آهن و سیلیکا را در فرمولاسیون مرکب خود گنجاندیم تا زمان ساخت را کاهش داده و یکپارچگی مکانیکی دستگاه‌های چاپ‌شده را افزایش دهیم (۲۱).

چاپ سه‌بعدی می‌تواند ساخت روبات‌های نرم را ساده کند در حالی که به طور همزمان به تحرک و دستکاری پیچیده دست می‌یابد (۲۰). SLA یک تکنیک چاپ سه‌بعدی مبتنی بر نور است که از تابش نور کنترل‌شده برای درمان انتخابی یک شی در داخل خمره‌ای از جوهر فتوپلیمر مایع استفاده می‌کند. در SLA پایین به بالا (شکل ۱ B)، بعد از اینکه هر لایه فونوپلی مریزاسیون می‌شود، ساختمان به صورت عمودی ترجمه می‌شود و جوهر با ویسکوزیته ظاهری پایین (ηapp < 10 Pa s) برای پر کردن فضای ساخت جریان می‌یابد. سپس، لایه بعدی روشن می‌شود، و این فرآیند تکرار می‌شود. SLA به دلیل تفکیک فضایی - زمانی نور و سهولت مقیاس بندی الگوهای نوری، هم تفکیک پذیری میکرومتر و هم نرخ رسوب سریع (>106 mm3 hour−1) را میسر می‌سازد (۲۰). برای اجازه دادن به ما برای چاپ دو نوع هیدروژل، از SLA ترکیب‌شده با استراتژی‌های "تعویض مالیات بر ارزش افزوده" (شکل ۱ B و فیلم S۱)برای عملگرهای تابعی (۱۶ و ۲۲) استفاده کردیم.

با استفاده از قابلیت‌های وضوح بالا در SLA، منافذ مقیاس میکرومتر را درون هیدروژل خود چاپ کردیم (شکل ۱ C)تا عرق کردن را برای سرد کردن سریع تسهیل کنیم. برخلاف منافذ استاتیک که در یک سرعت جریان ثابت در یک فشار معین عمل می‌کنند، منافذ ما به دلیل تورم یا انقباض هیدروژل در پاسخ به دمای محلی، سطح مقطع را تغییر می‌دهند. این رفتار نه تنها برای تنگ شدگی منافذ لازم است تا افت فشار در طول تحریک هیدرولیکی را به حداقل برساند بلکه نرخ عرق را به محلی که در آن دمای بالا رخ می‌دهد، مانند افت موضعی در پستانداران، تقویت می‌کند. علاوه بر کنترل میزان عرق، عملگرهای ما خنک کاری تبخیری را از طریق بافت سطح بالا (شکل ۱ C و شکل ۱ A و B)به ترتیب پوست انسان بهبود می‌بخشند (۱۹، ۲۰). برای درک و کنترل تنظیم حرارتی محرک، ما واکنش حرارتی پیچیده هندسه‌های منافذ متعدد ساخته‌شده از هر دو مواد هیدروژل مان را بررسی کردیم.

این مقاله توسط ربات ترجمیار و به صورت خودکار ترجمه شده و می‌تواند به صورت محدود دارای اشکالات ترجمه باشد.
برای مطالعه ادامه این مقاله به همراه ترجمه‌ (به صورت رایگان) به این لینک مراجعه فرمایید.​