science >> Wetenschap >  >> Chemie

Magnetisch gestuurd, op hydrogel gebaseerde slimme transformatoren

a) Afbeeldingen die de vormtransformatie van een transformator tonen. b) Het vormtransformatieproces van een zachte hydrogeltransformator onder de koppeling van magnetisch veld en NIR. c) De SEM-afbeeldingen van HG‐Fe3O4-hydrogel. d) De schematische illustratie van de overgang van gelatine tussen spoel en triple-helix structuur. e) De zachte transformator kan de smalle inkepingen kruisen na vormverandering. f) De zachte Transformer vervormt eerst tot een gevouwen vorm, gaat dan door de nauwe doorgangen van het speciale doolhof, en herstelt uiteindelijk over een groot gebied naar de oorspronkelijke vorm. Krediet:geavanceerde intelligente systemen, doi:10.1002/aisy.2020000208

Terwijl de film "Transformers" intelligente robots introduceerde die wisselden tussen vormen met meerdere functionaliteiten, onderzoekers ontwikkelen intelligente zachte transformatoren om onderzoekstoepassingen in het lab aanzienlijk te versnellen. In een recent rapport dat nu gepubliceerd is in Geavanceerde intelligente systemen , Dachuan Zhang en een onderzoeksteam in materiaalkunde en chemische wetenschappen in China, stelde een op afstand bestuurbare zachte transformator voor op basis van een hydrogelsysteem met vormgeheugen. Het team verkreeg de hydrogel door magnetiet (Fe 3 O 4 ) magnetische nanodeeltjes in een dubbele netwerkpolymeerstructuur van poly (N-(2-hydroxyethyl)acrylamide) met gelatine.

De omkeerbare spiraal-drievoudige-helix-transformatie van het gelatinebestanddeel doordrenkte de hydrogel met vormgeheugen en zelfherstellende eigenschappen, terwijl de magnetiet-nanodeeltjes fotothermische verwarming en magnetische manipulatiefuncties gaven om de hydrogel te vervormen voor navigatie in een magnetisch veld. Het team kon vervolgens de vervormde vorm herstellen via vormherstel met behulp van lichtbestraling. Zhang et al. op afstand de vormgeheugenprocessen bestuurd door middel van magnetisch aangedreven bediening en lichtondersteund vormgeheugen. Als proof-of-concept, ze creëerden een reeks robots, waaronder een hydrogelatleet die sit-ups kan doen, hydrogel transformatoren, een lotus in volle bloei, en een hydrogel-ruimtevaartuig dat in de lucht kan worden aangemeerd. Het werk zal de inspiratie vormen voor het ontwerp en de fabricage van nieuwe slimme polymeersystemen met gesynchroniseerde meerdere functionaliteiten.

Hydrogels met vormgeheugen

Terwijl de fictieve transformatoren harde robots in elke vorm lieten veranderen, inclusief voertuigen, zachte transformatoren zijn van groter belang in fundamenteel onderzoek en toepassingen in life sciences. In dit werk, Zhang et al. beschreef een fotothermisch en magnetisch gestuurde hydrogel met vormgeheugen. Ze combineerden een chemisch verknoopt polymeer en een omkeerbaar verknoopt gelatinenetwerk ingebed met magnetiet-nanodeeltjes om een ​​fotothermisch en flexibel, zelfherstellende constructie die magnetisch kan worden gemanipuleerd. Hydrogels met vormgeheugen (SMH's) hebben meer aandacht gekregen omdat intelligente polymere materialen en onderzoekers ernaar streven om dergelijke materialen op afstand te besturen om divers bedieningsgedrag vast te stellen.

Het bloeiproces van een hydrogel Lotus. Krediet:geavanceerde intelligente systemen, doi:10.1002/aisy.2020000208

Bijvoorbeeld, vormgeheugenpolymeren kunnen tijdelijke vormen fixeren en hun architectuur herstellen onder externe prikkels, met toenemende belangstelling in de biomedische, textiel, flexibele elektronica en data-encryptie disciplines. Magnetische nanodeeltjes zijn effectieve additieven om contactloze bediening op afstand te introduceren. Wanneer hydrogels worden verlicht met nabij-infrarood (NIR) licht, deze magnetische nanodeeltjes zullen continu licht omzetten in warmte, waardoor de hydrogel wordt verwarmd. Dit zal een omkeerbare vervorming van de hydrogel veroorzaken voor toepassingen als vrij bewegende zachte robots. Deze strategie zal de ontwikkeling helpen bevorderen van nieuwe hydrogelsystemen met vormgeheugen voor toepassingen als ongebonden robots.

Eigenschappen van hydrogels met vormgeheugen

Omdat hydrogels met vormgeheugen hun vorm stabiel en tijdelijk kunnen onthouden en de oorspronkelijke vorm perfect kunnen herstellen onder specifieke stimuli, het team voerde buigproeven uit met het materiaal, die ze afgekort als HG voor de samenstellende polymeren. Vervolgens dompelden ze een monster gedurende 30 seconden onder in heet water (60 graden Celsius) om desaggregatie te induceren om de hydrogel zachter te maken, verwijderde het uit het medium en herstelde de vormen na het opnieuw onderdompelen van hydrogels in heet water (60 graden Celsius). Zhang et al. voerde een reeks gecontroleerde experimenten uit om de factoren te verifiëren die de prestaties van het vormgeheugen van de hydrogel beïnvloeden. Als proof-of-concept, het team ontwierp en ontwikkelde een hydrogelbloem om de bloei van een lotus perfect na te bootsen.

De verbinding van een hydrogel-ruimtevaartuig en een hydrogel-ruimtestation in de lucht. Krediet:geavanceerde intelligente systemen, doi:10.1002/aisy.2020000208

Toen de onderzoekers magnetiet-nanodeeltjes introduceerden om het HG-Fe . te vormen 3 O 4 hydrogel, de bestanddelen kunnen licht absorberen en omzetten in warmte met lichtstraling, waardoor de temperatuur van de hydrogel stijgt. Tijdens de conversie van licht naar warmte, het materiaal bereikte foto-geactiveerde zelfgenezing. Om dit fenomeen aan te tonen, het team creëerde een HG-Fe 3 O 4 hydrogel ruimtestation onder een magnetisch veld en toegepast NIR om de connectoren te bestralen en het ruimtevaartuigachtige constructie te koppelen aan een ruimtestationachtige connector om zelfgenezing en herverbinding in de lucht te realiseren.

Vormen herstellen door fotothermische effecten en vormgeheugenprocessen op afstand besturen

Het team kon alleen vormherstel voor de HG-hydrogel bereiken door de temperatuur op een bepaalde waarde te regelen, bij afwezigheid van magnetiet nanodeeltjes. De toevoeging van magnetiet verleende magnetische eigenschappen aan de HG-Fe 3 O 4 hydrogel om op afstand bediende herstelcycli van vormgeheugen mogelijk te maken. Als proof-of-concept, het team ontwikkelde een vormovergangsrobot in de vorm van een hydrogelatleet om te vervormen van 2D naar 3D. Bij afwezigheid van NIR en de aanwezigheid van een magneet, de hydrogelatleet kon snel 'opduwen', herstel vervolgens zijn vorm naar de platte conformatie bij verwijdering van de magneet. In de tweede opstelling ze zetten NIR aan en tilden de hydrogelatleet op met een magneet, hield vervolgens de magneet twee minuten aan terwijl de NIR werd uitgeschakeld om de atleet te laten afkoelen. Het team bevroor dit gebaar voor een tijdsbestek waarna ze de robot toestonden om terug te keren naar zijn oorspronkelijke positie door de NIR weer aan te zetten. Met deze techniek kunnen softgrippers worden ontwikkeld die voordelig zijn voor toepassingen als chirurgische robots in translationeel onderzoek.

Een hydrogelatleet die sit-ups doet met behulp van magnetisch veld en NIR. Krediet:geavanceerde intelligente systemen, doi:10.1002/aisy.2020000208

Het team gebruikte ook de interactie tussen permanente magneten en de samenstellende magnetiet-nanodeeltjes van de HG-Fe 3 O 4 hydrogel om de constructie te begeleiden voor directionele navigatie. Met behulp van de hydrogel, ze lieten zien hoe magneetgeïnduceerde directionele navigatie een zachte transformator door een doolhof kon leiden. Dergelijke experimentele concepten hebben potentieel voor een reeks toepassingen als zachte dragers om vracht te vervoeren voor aflevering en vrijgave van medicijnen in de biogeneeskunde.

Magnetische directionele navigatie en fotothermisch vormherstel. a) De temperatuurstijging van de HG‐Fe3O4-hydrogel met 1 wt% Fe3O4 in water en lucht wanneer verlicht door NIR. b) De infraroodbeelden van de HG‐Fe3O4-hydrogel met 1 wt% Fe3O4 in water en lucht wanneer 0 belicht door NIR, 60, 120, 180 s. c) Schematische illustratie van de directionele navigatie van Transformer en zijn vorm-transformatieproces. d) De zachte Transformer met drie poten kan de smalle inkepingen niet oversteken zonder vormverandering, en het kan de smalle inkepingen oversteken nadat de gevouwen vorm is vergrendeld met behulp van een magnetisch veld en NIR-licht. e) De afbeeldingen van een robot met drie poten vervormen eerst tot een gevouwen vorm, navigeer vervolgens door een speciaal doolhof geleid door een magneet, en herstelt naar de uitgevouwen vorm wanneer verlicht door NIR (energiedichtheid is 3,06 W cm−2). Schaalbalken:2 cm. Krediet:geavanceerde intelligente systemen, doi:10.1002/aisy.2020000208

Vooruitzichten voor zachte transformatoren in life sciences

Op deze manier, Dachuan Zhang en collega's ontwikkelden een nieuwe en effectieve methode om zachte hydrogeltransformatoren te bouwen met magnetische en fotothermische eigenschappen geïntegreerd in een vormgeheugen hydrogel (SMH) systeem. Het resulterende HG-Fe 3 O 4 hydrogels hadden zeer voordelige eigenschappen, waaronder contactloze vormvervorming, magnetische bediening, fotothermische prestaties, zelfgenezing en gerichte navigatie in water en lucht. Het team ontwikkelde een reeks proof-of-concept zachte robots om de dynamische eigenschappen van het SMH-systeem te demonstreren en gelooft dat dit ontwerpconcept de ontwikkeling van nieuwe intelligente systemen voor toepassingen in bio-engineering en biogeneeskunde zal inspireren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk