Controllato magneticamente, trasformatori intelligenti a base di idrogel

a) Immagini che mostrano la trasformazione della forma di un trasformatore. b) Il processo di trasformazione della forma di un soft hydrogel Transformer sotto l'accoppiamento di campo magnetico e NIR. c) Le immagini SEM dell'idrogel HG-Fe3O4. d) L'illustrazione schematica della transizione della gelatina tra la struttura a spirale e la struttura a tripla elica. e) Il morbido Transformer può attraversare le tacche strette dopo il morphing della forma. f) Il trasformatore morbido si deforma prima in una forma piegata, poi passa per gli stretti passaggi del labirinto speciale, e infine riprende la forma originale in una vasta area. Credito:sistemi intelligenti avanzati, doi:10.1002/aisy.202000208

Mentre il film "Transformers" ha introdotto robot intelligenti che si sono trasformati in forme con molteplici funzionalità, i ricercatori stanno sviluppando trasformatori morbidi intelligenti per accelerare significativamente le applicazioni di ricerca in laboratorio. In un recente rapporto ora pubblicato in Sistemi intelligenti avanzati , Dachuan Zhang e un gruppo di ricerca in scienze dei materiali e scienze chimiche in Cina, ha proposto un trasformatore morbido telecomandato basato su un sistema di idrogel a memoria di forma. Il team ha ottenuto l'idrogel incorporando magnetite (Fe ₃ oh ₄ ) nanoparticelle magnetiche in una struttura polimerica a doppia rete di poli (N-(2-idrossietil) acrilammide) contenente gelatina.

La trasformazione reversibile bobina-tripla-elica del costituente della gelatina ha impregnato l'idrogel di memoria di forma e proprietà autorigeneranti, mentre le nanoparticelle di magnetite hanno fornito funzioni di riscaldamento fototermico e manipolazione magnetica per deformare l'idrogel per la navigazione in un campo magnetico. Il team potrebbe quindi ripristinare la forma deformata tramite il recupero della forma utilizzando l'irradiazione della luce. Zhang et al. controllato a distanza i processi di memoria di forma attraverso l'attuazione magnetica e la memoria di forma assistita dalla luce. Come prova del concetto, hanno creato una serie di robot, incluso un atleta di idrogel che potrebbe fare sit-up, trasformatori di idrogel, un loto in piena fioritura, e un veicolo spaziale in idrogel che può essere attraccato in aria. Il lavoro ispirerà la progettazione e la fabbricazione di nuovi sistemi polimerici intelligenti con funzionalità multiple sincronizzate.

Idrogel a memoria di forma

Mentre i trasformatori immaginari consentivano ai robot duri di trasformarsi in qualsiasi forma, compresi i veicoli, i trasformatori morbidi sono di maggiore interesse nella ricerca fondamentale e nelle applicazioni nelle scienze della vita. In questo lavoro, Zhang et al. descritto un idrogel a memoria di forma controllato fototermicamente e magneticamente. Hanno combinato un polimero reticolato chimicamente e una rete di gelatina reticolata reversibilmente incorporata con nanoparticelle di magnetite per creare un fototermico e flessibile, costrutto di autoguarigione che potrebbe essere manipolato magneticamente. Gli idrogel a memoria di forma (SMH) hanno ricevuto maggiore attenzione in quanto materiali polimerici intelligenti e i ricercatori mirano a controllare a distanza tali materiali per stabilire diversi comportamenti di attuazione.

Il processo di fioritura di un idrogel Lotus. Credito:sistemi intelligenti avanzati, doi:10.1002/aisy.202000208

Per esempio, i polimeri a memoria di forma possono fissare forme temporanee e recuperare la loro architettura sotto stimoli esterni, con crescente interesse in ambito biomedico, tessile, elettronica flessibile e discipline di crittografia dei dati. Le nanoparticelle magnetiche sono additivi efficaci per introdurre l'attuazione senza contatto controllata a distanza. Quando gli idrogel sono illuminati con luce nel vicino infrarosso (NIR), queste nanoparticelle magnetiche convertiranno continuamente la luce in calore, provocando il riscaldamento dell'idrogel. Ciò causerà la deformazione reversibile dell'idrogel per applicazioni come robot morbidi che si muovono liberamente. Questa strategia aiuterà a promuovere lo sviluppo di nuovi sistemi di idrogel a memoria di forma per applicazioni come robot non collegati.

Proprietà degli idrogel a memoria di forma

Poiché gli idrogel a memoria di forma possono memorizzare stabilmente e temporaneamente la loro forma e recuperare perfettamente la forma originale sotto stimoli specifici, il team ha condotto prove di flessione con il materiale, che hanno abbreviato come HG per i suoi polimeri costituenti. Hanno quindi immerso un campione in acqua calda (60 gradi Celsius) per 30 secondi per indurre la disaggregazione per ammorbidire l'idrogel, lo ha rimosso dal mezzo e ha recuperato le forme dopo aver re-immerso gli idrogel in acqua calda (60 gradi Celsius). Zhang et al. ha condotto una serie di esperimenti controllati per verificare i fattori che influenzano le prestazioni della memoria di forma dell'idrogel. Come prova del concetto, il team ha progettato e sviluppato un fiore in idrogel per imitare perfettamente la fioritura di un loto.

Il collegamento di un veicolo spaziale in idrogel e una stazione spaziale in idrogel in aria. Credito:sistemi intelligenti avanzati, doi:10.1002/aisy.202000208

Quando i ricercatori hanno introdotto le nanoparticelle di magnetite per formare l'HG-Fe ₃ oh ₄ idrogel, i costituenti potrebbero assorbire e convertire la luce in calore con irraggiamento luminoso, provocando un aumento della temperatura dell'idrogel. Durante la conversione luce-calore, il materiale ha ottenuto l'autoguarigione fotoattivata. Per dimostrare questo fenomeno, il team ha creato un HG-Fe ₃ oh ₄ stazione spaziale idrogel sotto un campo magnetico e applicato NIR per irradiare i connettori e ancorare il costrutto simile a un veicolo spaziale con un connettore simile a una stazione spaziale per realizzare l'autoguarigione e la riconnessione in aria.

Recupero delle forme attraverso effetti fototermici e controllo remoto dei processi di memoria di forma

Il team ha potuto ottenere il recupero della forma dell'idrogel HG solo regolando la temperatura a un valore specifico, in assenza di nanoparticelle di magnetite. L'aggiunta di magnetite ha conferito proprietà magnetiche all'HG-Fe ₃ oh ₄ idrogel per consentire cicli di recupero della memoria di forma controllati a distanza. Come prova del concetto, il team ha sviluppato un robot di transizione di forma sotto forma di un atleta di idrogel per deformare da 2-D a 3-D. In assenza di NIR e presenza di un magnete, l'atleta dell'idrogel potrebbe "spingersi verso l'alto" rapidamente, quindi recuperare la sua forma alla conformazione piatta alla rimozione del magnete. Nella seconda configurazione, hanno acceso il NIR e hanno sollevato l'atleta di idrogel con un magnete, poi ha tenuto il magnete acceso per due minuti mentre si spegneva il NIR per permettere all'atleta di raffreddarsi. Il team ha bloccato questo gesto per un periodo di tempo dopo il quale ha permesso al robot di tornare alla sua posizione originale riaccendendo il NIR. Questa tecnica può essere utilizzata per sviluppare pinze morbide che sono vantaggiose per applicazioni come robot chirurgici nella ricerca traslazionale.

Un atleta di idrogel che fa sit-up con l'assistenza di campo magnetico e NIR. Credito:sistemi intelligenti avanzati, doi:10.1002/aisy.202000208

Il team ha anche utilizzato l'interazione tra i magneti permanenti e le nanoparticelle di magnetite costituenti l'HG-Fe ₃ oh ₄ idrogel per guidare il costrutto per la navigazione direzionale. Usando l'idrogel, hanno mostrato come la navigazione direzionale indotta da magneti potrebbe guidare un trasformatore morbido attraverso un labirinto. Tali concetti sperimentali hanno il potenziale per una gamma di applicazioni come supporti morbidi per il trasporto di merci per la consegna e il rilascio di farmaci in biomedicina.

Navigazione direzionale magnetica e recupero di forma fototermico. a) L'aumento della temperatura dell'idrogel HG-Fe3O4 con 1 wt% Fe3O4 in acqua e aria quando illuminato da NIR. b) Le immagini a infrarossi dell'idrogel HG-Fe3O4 con 1 wt% Fe3O4 in acqua e aria quando illuminate da NIR per 0, 60, 120, 180's. c) Illustrazione schematica della navigazione direzionale di Transformer e del suo processo di trasformazione della forma. d) Il morbido Transformer a tre zampe non può attraversare le strette tacche senza il morphing della forma, e può attraversare le tacche strette dopo che la forma piegata è stata bloccata con l'assistenza del campo magnetico e della luce NIR. e) Le immagini che mostrano un robot a tre zampe si deformano prima in una forma piegata, quindi navigare attraverso un labirinto speciale guidato da un magnete, e recupera la forma spiegata quando illuminata da NIR (la densità di energia è 3.06 W cm-2). Barre della scala:2 cm. Credito:sistemi intelligenti avanzati, doi:10.1002/aisy.202000208

Prospettive per trasformatori morbidi nelle scienze della vita

In questo modo, Dachuan Zhang e colleghi hanno sviluppato un metodo nuovo ed efficace per costruire trasformatori di idrogel morbidi con proprietà magnetiche e fototermiche integrate in un sistema di idrogel a memoria di forma (SMH). Il risultante HG-Fe ₃ oh ₄ gli idrogel avevano proprietà altamente vantaggiose, tra cui la deformazione della forma senza contatto, azionamento magnetico, prestazioni fototermiche, autoguarigione e navigazione direzionale in acqua e aria. Il team ha sviluppato una serie di robot morbidi proof-of-concept per dimostrare le proprietà dinamiche del sistema SMH e crede che questo concetto di design ispirerà lo sviluppo di nuovi sistemi intelligenti per applicazioni in bioingegneria e biomedicina.