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凝胶蜗牛展示自我修复导电材料

时间:2023-09-15   访问量:108

蜗牛又粘又软。他们缓慢地移动,步伐从容且有节奏。它们可能是展示一种新材料的最佳方式,这种材料柔软、具有自我修复能力,并且可以移动,因为它是一种出色的电导体。

卡内基梅隆大学机械工程师卡梅尔·马吉迪 (Carmel Majidi) 解释说:“我们希望这种材料尽可能自主和自给自足。”自然电子学。

自修复水凝胶是软机器人和组织工程的绝佳材料。它们利用自发的分子间力来恢复由极端应变、压力或撕裂造成的物理损伤。然而,这些材料的问题在于它们具有相对较低的电导率。仅这一事实就限制了它们在可拉伸和机械坚固的电路中的应用。

“我们需要找到一种可以立即恢复其导电性的导电填充材料,”马吉迪解释道。

组织状

新材料最实际的应用是医疗保健。“我们希望材料是柔软的,这样它就可以与人体接触,”他解释道。“它应该是可拉伸的,这样它才能承受负载和应变而不会失效。” 它需要具有导电性,以便可用于传感或电路布线。

多年来,许多人一直致力于开发导电凝胶。“其中一些还具有自我修复的特性。” 马吉迪说道。“但通常这些材料可能是离子导电的,但不导电。” 当涉及到许多实际电路应用的足够连接性时,它们根本达不到要求。

“所以我们证明的是,我们实际上可以使材料具有足够的导电性,从而可以提供相当大的电流,”他说。

该团队利用基于聚(乙烯醇)-硼酸钠的有机凝胶复合材料解决了软机器人导电率低的问题。研究小组报告说,这种柔软的低密度凝胶具有高电导率(7 × 10 4 S m -1)、低刚度(杨氏模量约为 20 kPa)、高拉伸性(应变极限 >400%)和自发性。机械和电气自愈。

研究人员在弹性材料中嵌入了银微片和镓基液态金属微滴的渗透网络。他们将这种自我修复的组织状材料描述为能够破裂或撕裂,但当其边缘接触时,分子键会迅速重新形成,无需额外的热量或化学物质。

该团队使用软机器人蜗牛展示了复合材料的功能。事实证明这是一个绝佳的选择,因为水凝胶材料系统用有机溶剂(乙二醇)代替了水,可以在周围环境中 24 小时以上避免脱水和性能变化。

“这款受蜗牛启发的软机器人是完全无线的、不受束缚的,”马吉迪说。它有一个机载能源和发动机。“连接电机和控制器的所有电路都是通过自愈传导材料实现的,”他解释道。

 医疗保健用途

Majidi 说:“我们证明,这些特性使它们适合作为生物电极,可以贴合皮肤进行电生理测量,以跟踪肌肉活动、心脏活动和神经信号。” 此外,该材料的自愈特性使科学家能够连接较小的电极来创建覆盖更大皮肤表面的更大电极。

他总结道:“与目前使用的现有导电凝胶相比,我们在这里引入的自愈材料将更耐撕裂和损坏,并且可以重复使用或重新配置,以对身体的不同部位进行测量。”

“例如,我们利用这一功能将用于测量前臂运动的小电极组合成一个可以测量腿部肌肉活动的较大电极,”Majidi 说。电极可以轻松地粘附在皮肤上或从皮肤上剥离,并且具有足够的导电性,因此不需要额外的电线即可连接到计算接口进行信号处理,从而可以在临床环境之外继续进行监测。

机器人技术和 3D 打印

该材料的最终重要性在于它可以用于机器人,因为它柔软、具有自我修复能力并且完全自主,不依赖于人类进行修复。

“具体来说,我们表明该材料可以充当内部电路,类似于神经组织中的运动神经元,用于将执行器连接到计算机控制器和电源,”Majidi 说。“这种软机器人可以自行爬行、滑行或行走,并独立探索环境。”

为此,材料必须与电机或执行器良好接合。Majidi 解释说:“拥有一个强大的接口,可以在两者之间实现某种无缝连接,而本身又不会成为故障点,这将是下一个重大挑战。”

该团队还在研究如何 3D 打印这些材料。“这将通过‘直接墨水写入’方法来实现,其中加压注射器和针头安装在电动平台上,”Majidi 解释道。

该团队通过类似的材料配方取得了一些有希望的结果。“但我们仍然需要了解液态金属和银填充颗粒对打印行为的影响,”他承认。

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