具有连续性、大变形和高柔顺性的软机器人近年来得到了广泛的研究,其中水凝胶机器人也是其中一类。因为具有透明性、高水化度和生物相容性等特点,水凝胶机器人可以用来模仿海洋生物。我们利用3D打印的方法和水凝胶墨水制作了一个水凝胶章鱼。
章鱼底部由磁性水凝胶墨水打印而成,进而可以被磁场驱动,用来模拟可以运动的章鱼触手;章鱼上部由透明的AAm水凝胶墨水打印而成。章鱼机器人被磁场驱动的示意图c。该章鱼机器人整体结构直接通过3D打印一体成型,不需要任何结构上的后处理,这个任务很难通过传统的方法来完成。
其中,磁性水凝胶墨水是通过10% (w/v)磁性纳米颗粒和水凝胶墨水均匀地混合而成。基于Carbomer制备的水凝胶墨水具备高屈服应力和高粘度的特点,使得磁性纳米颗粒没有出现沉降或聚集现象,为其均匀分散在墨水中提供了可能。在整个打印过程中,喷嘴可以顺利地挤出磁性墨水而不会堵塞也证明了该磁性水凝胶墨水的优异性。
打印完成后,水凝胶章鱼需要放入45℃的烘箱中进行聚合交联。该水凝胶之所以要选择温度刺激聚合,是因为磁性纳米颗粒的掺入影响了水凝胶的透明度,不适合继续使用紫外刺激聚合。由于整个结构是同时交联固化的,两部分的界面也会形成共价键。
但是由于磁性纳米颗粒的高含量会减缓磁性水凝胶的交联过程,从而导致上下面两部分水凝胶因为交联不统一而形成界面。为了保持两部分的水凝胶同时交联,我们通过改变磁性水凝胶中催化剂的含量来匹配另一部分水凝胶固化的速度。图d展示了由磁场驱动的水凝胶章鱼的运动过程,水凝胶章鱼的反应速度和保真度都比较高。