研究人员3D打印自走式氧化石墨烯软机器人

中国哈尔滨工业大学的研究人员已经用氧化石墨烯3D打印了一个软机器人，当暴露在潮湿的环境中时，它能够前后移动。

科学家们将直接墨水书写（DIW）3D打印和约束干燥技术相结合，制造出软机器人，并能够克服以前在3D打印氧化石墨烯物体时观察到的孔隙率，收缩率和结构均匀性挑战。

根据研究人员的说法，这项研究可以提供一个多功能平台，从中可以进一步开发具有水分驱动能力的氧化石墨烯软机器人。

使用石墨烯进行3D打印的挑战

石墨烯具有许多理想的特性，使其适用于能源生产，微电子学，生物医学和传感器等领域的应用，仅举几例。该材料的轻质性能，导电性和导热性以及机械强度在这些领域提供了巨大的希望，但是由于石墨烯的大部分潜力来自其单层形式的材料，因此将这种材料用于3D打印仍然面临重大挑战。

不过，之前已经采取措施利用石墨烯在3D打印中的潜力，例如弗吉尼亚理工大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员开发的高分辨率3D打印方法，该方法涉及石墨烯在凝胶内分散以形成3D可打印树脂。LLNL还与加州大学圣克鲁兹分校的一个团队合作，生产用于储能设备的石墨烯基气凝胶电极。

在其他地方，来自西班牙陶瓷和玻璃研究所（ICV）和艾克斯 – 马赛大学3D打印的氧化石墨烯支架作为轻质混合结构的基础，保留了石墨烯的许多理想特性，包括导电性和吸附水能力。

最近，布法罗大学的研究人员开发了一种新型3D打印的水净化石墨烯气凝胶，可用于废水处理厂，而乌普萨拉大学的科学家和石墨烯专家Graphmatech已成功将石墨烯添加到3D打印的铜部件中，以提高其强度和密度。

圆柱体3D打印在石墨烯涂层铜中。照片来自乌普萨拉大学。

3D打印氧化石墨烯软机器人

哈尔滨工业大学的团队发现，由于材料的超亲水特性，先前报道的3D打印氧化石墨烯结构往往是高度多孔的。氧化石墨烯油墨中的水分含量通常高于材料重量的90%，必须在3D打印过程后去除。

冷冻干燥技术通常用于保持3D打印的氧化石墨烯结构的均匀性，但是这会使结构高度多孔。为了克服这种效应，研究人员提出通过结合DIO 3D打印和约束干燥技术来控制3D打印氧化石墨烯凝胶的收缩过程。

科学家们首先确保优化氧化石墨烯油墨的流变特性，以便在DIW过程中实现平滑挤出和印刷物体的形状稳定性。为了实现这一目标，他们确保墨水包含高度对齐和致密的氧化石墨烯片。

为了防止干燥阶段的变形，研究人员采用了3D打印的约束，这些约束可以很容易地控制，以确保整个结构的均匀收缩。这意味着氧化石墨烯片在整个干燥过程中保持对齐和压实，使印刷结构能够保持其形状。

科学家们还能够控制3D约束角落的角度，以及当地环境的湿度，以展示他们的3D打印氧化石墨烯软机器人的驱动能力。通过交替地将水滴落在每个软机器人的”腿”上，它能够在没有任何外部电源的情况下前后移动。

根据研究人员的说法，DIW 3D打印和约束干燥的成功结合已经形成了一个多功能平台的基础，以开发未来对水分和湿度变化敏感的氧化石墨烯软机器人。

该研究的更多信息可以在ACS Nano杂志上发表的题为“3D打印氧化石墨烯软机器人”的论文中找到。该研究由G. Zhou，Y. Yu，Z. Yang，D. Jia，P. Poulin，Y. Zhou和J. Zhong共同撰写。

3D打印的氧化石墨烯结构，厚度为20μm。图片来自 ACS Nano。

3D打印软机器人的进步

由于该技术赋予的设计自由度，3D打印正越来越多地用于新型软机器人应用。

就在上周，约翰内斯开普勒大学林茨分校的研究人员3D打印了具有集成传感器网络的软机器人，这些机器人能够拉伸到原始长度的六倍。通过这项研究，该团队试图解决软机器人应用开发带来的可持续性问题，例如使用不可生物降解的材料以及该领域日益增长的环境影响。

此前，林雪平大学的研究人员已经3D打印了一套具有4D功能的软微型机器人的微执行器，而哈佛大学的科学家利用这项技术制造了一群能够以复杂模式游泳的软机器人鱼。

在其他地方，天津大学的一个团队已经创建了4D打印的自走式软机器人，加州大学圣地亚哥分校的研究人员提出了一种3D打印液晶弹性体的新方法，可以形成软机器人驱动材料的基础。