中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

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Nature Materials:寿命提高4个数量级!新型水凝胶让柔性电子器件用得更久!

2020-12-04

到2025年,估计每天将产生600万吨垃圾,其中科技一次性用品的贡献率迅速增长。报废设备包含难以回收的有价值材料或有毒物质,这些物质很容易通过填埋或不适当的处理而释放到大自然中。可生物降解材料在环境保护方面将是一个非常有前景的选择。而软机器和电子皮肤(e-skins)在内的一系列仿生系统通过引入自愈性、内在可伸缩性或软到硬材料的深刻融合,实现了高水平的功能。但是现在的可生物降解材料却无法同时满足既便宜又高机械性能的要求。比如,基于淀粉、海藻酸钠或胶原的生物衍生水凝胶价格便宜,降解速度快,但在高负荷下通常无法提供足够的机械完整性。基于光交联、添加单体或盐处理的策略有助于克服这一问题,但代价是加工性、降解性和价格。

然而,到目前为止,明胶凝胶在空气中操作时,在拉伸和快速干燥时具有中等性能,这会导致硬化,并限制可穿戴软设备或软机器人元件的稳定性和耐用性。现有的基于明胶的可生物降解软致动器的例子通过在干燥状态下保持一定程度的可拉伸性、在盐梯度电解质溶液中操作或使用现成的糖果凝胶部分地解决了这些问题。然而,所有这些材料的性能都难以控制,拉伸性能有限,这只会导致一些驱动循环的性能降低。

成果简介:
有鉴于此,奥地利约翰开普勒林茨大学MartinKaltenbrunner等人将介绍一种广泛应用的明胶生物胶的制造方法、设计规则和一组概念,该生物胶将具有弹性但可持续的(软)机器人和电子产品的挑战性需求结合在一个平台上。相关成果与6月15日发表在Nature Materials上。

图|弹性但完全可降解的生物凝胶
优势所在!
该凝胶以天然材料为基础,可降解、具有耐用性、自粘性、可拉伸性、机械可调性和可修复性。尽管在废水中可完全降解,但该凝胶在环境条件下仍可保持其机械性能一年以上,并且可使软执行器连续运行33万次以上而不会发生故障。可大规模的生产、较低的材料成本和所有制造步骤的安全性,将使从工业,医疗保健到教育的广泛就业成为可能。

制备思路
灵感来自复杂的生物,从头足类到大象,研究人员将生物芯片与纤维素和锌等自然衍生材料相结合,以实现从机器人元件到可拉伸电子产品的完全生物降解装置。
研究人员将各种成分组合在一起,每种成分都有不同的用途,以便同时满足生物降解和高机械性能。明胶作为凝胶的主要聚合物网络决定了材料的杨氏模量(E),糖(纤维素)的加入提高了拉伸性能。通过调节生物凝胶中水和甘油的比例,可以获得稳定的机械性能和加工条件,柠檬酸可防止细菌生长。食品级添加剂引入了其他功能或结构特性,同时又不损害材料的环保性和安全性。

图|生物材料的降解
超过33万次循环,高出四个数量级!
研究人员制备的气动执行器的s形运动达到其尖端最大位移10厘米。该执行器由一个带有柔性进气口的生物凝胶铸管和一个由钩编棉纤维制成的纺织外骨骼组成,该外骨骼引导运动。研究人员选择了两种模式设计(S形和U形运动),它们模仿了行李箱的提起和抓斗运动。

研究表明。由高水/甘油比生物凝胶(G2420)制成的执行器可承受10,000次循环(约10 h的恒定执行力),并有望在中等耐用性足够的应用中使用,例如定制的康复执行器或在危险环境。较低的水/甘油比例(G2430)的执行器非常耐用,即使经过60,000次循环也没有出现故障。在此,由于某些材料疲劳,在实验过程中(两天),驱动力降至原始值的40%。使用力调节装置(调节致动压力和频率)可将循环寿命延长至超过330,000个循环而不会发生故障,其性能比现有方法高出四个数量级,并能将执行器或夹具集成到生产线或作为用于人工采摘产品的收割机器人。执行器在超过1.5 h的时间内运行约2,000次,即使在水下涂有食用油时也是如此。通过限制尖端的运动,显示出它们在102 kPa的施加压力下可达到14.7 N的最大力。

图|用于软执行器的弹性生物凝胶

多模态电子皮肤
生物凝胶的修复或组装是通过在裂缝附近进行短暂的局部熔化或用红外激光切割来完成的。先前切割过的生物凝胶的激光修复基本上可以在不到10分钟的处理时间内完全恢复其原始机械性能。

研究人员使用生物凝胶制造了具有温度,湿度和应变传感器的可生物降解的,可拉伸的多模态电子皮肤。传感器数据通过利用安装在生物凝胶上的可重复使用的柔性印刷电路板(PCB)单元进行记录,分析和无线传输。该PCB在单个自管理平台上具有多通道阻抗记录,模数转换器,电流源和蓝牙通信功能。选择这种具有成本效益的方法是因为PCB易于回收,并且到目前为止,诸如蓝牙之类的宽带无线数据通信在可降解的外形尺寸上仍然难以捉摸。未来的研究将集中于通过使用瞬态射频晶体管技术实现基本功能来克服这一瓶颈。

图|柔软可降解的电子传感器贴片
小结:
综上所述,本文介绍一组可生物降解的弹性材料,用于软机器人、电子皮肤和医疗保健,这些材料具有可修复性、可变形性、自粘性和抗脱水性。应用该材料方法创造了一组新的耐用的可生物降解的软驱动器和具有多模态传感能力的自主电子平台。可能的应用范围从食用机器人、农产品收获或动物行为研究到危险环境或医疗环境中的单次使用场景,在这些场景中,工具和医疗设备通常在使用后进行处置,以满足卫生要求。可在水下长时间运行的可植入电子设备或机器人仍然需要疏水、柔软且可拉伸的可生物降解涂层。该方法为未来的生物降解技术提供了一条节俭、环保和廉价的途径,避免了微型塑料的出现,并且在与其他生命体相互作用时本质上是安全的。

 

图文来源:纳米人