基于编织工艺构建高强度结构可控软体机器人

Soft robots have become a popular research direction in recent years, compared to traditional robots，soft robots have better flexibility and adaptability, together with higher freedom of motion, which can achieve intelligent delivery of drugs and mimic muscle movement, moreover，it has been reported as successful tools for uncomplicated minimally invasive surgery recently. The expanding application fields also bring higher requirements to the manufacturing technique of soft robots, finding a simple and controllable method to fabricate soft robots with complex constructions has become an urgent problem. This project puts forward a simple and universal method for the controllable construction of soft robots with complex structures and diversified deformations. Nanocomposite hydrogel strips with various stimuli-responsiveness are prepared by in-situ free radical polymerization firstly, then weaving technology is introduced for the assembly of hydrogel strips, the obtained assembly generates a volume shrinkage behavior in response to a specific stimulus change, and lots of new hydrogen bonds between the polymer chains are formed at the interface during the subsequent volume swelling process, which makes the assembly into an unity. Finally, the application performance of the assembly as a soft robot is investigated.

软体机器人可谓是近年来的热门研究方向，相比于传统机器人，软体机器人拥有更好的弹性和适应性、更高的运动自由度，除了可以模仿肌肉运动，还可以实现智能输送药物，近年来更被报道可以进行简单的微创手术。不断拓展的应用领域也对软体机器人的制造工艺提出了更高的要求，找到一种简单可控的方法来制备结构复杂的软体机器人成为亟待解决的难题。本项目提出了一种用于可控构建尺寸可控、结构复杂、变形行为多样化软体机器人的简易通用方法。申请人团队首先通过原位自由基聚合法合成具有不同响应性能的纳米复合水凝胶条；然后引入编织工艺对凝胶条进行组装；再通过改变刺激大小使组装体首先产生体积收缩变形，而后在缓慢体积溶胀过程中，组装体界面处舒展的聚合物链间会形成大量的、新的氢键作用，以此可以消除组装体界面处的空隙，使组装体内部各凝胶模块结合成统一的整体；最后，考察组装体作为软体机器人使用的应用性能。

水凝胶作为跨学科领域中研究最为广泛的材料之一，因其高含水量、良好的生物相容性、可调控的响应性及与生物组织相似的力学性质和组成，被大量应用于药物递送、组织工程和生物科研平台。近年来随着水凝胶技术的发展，结构多样的智能水凝胶更是被成功开发为传感器、驱动器、光学器件和仿生器械等使用，但采用简单安全的方法，大规模生产符合应用需要的水凝胶仍是一个巨大的难题。申请人首先提出了一种用于可控构建尺寸可控、结构复杂、变形行为多样化软体机器人的简易通用方法。首先通过原位自由基聚合法合成具有响应性能各异的纳米复合水凝胶条；然后对凝胶进行去水合-再水合处理实现不同凝胶的可控组装；最后，成功将其作为软体机器人使用。为了更安全、快速、批量化生产多尺度多重刺激响应型水凝胶，申请人将上一步制备的不同刺激响应型的纳米复合水凝胶进行粉碎、干燥、研磨、筛分等物理操作将其制成表面充满聚合物链的微凝胶粉；再将微凝胶粉与适量液体混合，在受限溶胀过程，凝胶粉表面自由的聚合物链之间、自由聚合物链与锂藻土片间形成数量可观的氢键，迅速在凝胶粉间形成稳固的交联结构，重构出新的水凝胶；最后，将其作为吸附剂和愈合剂使用。.随着核能的开发和利用，在核燃料循环的过程中会产生大量的含铀、钍废料，若不对其处理直接排入环境中会对人体和生态环境造成严重的伤害，其中吸附法因其成本低、工艺简单、效率高等优点，成为最常见的处理方法。基于此，申请人开发了几种高效吸附剂，其制备工艺简单，且易于分离回收，在工业废水处理方面有良好的应用前景。