13 ottobre 2023 (Faretto Nanowerk) La robotica morbida e i dispositivi biomedici sono campi pionieristici che mirano a creare macchinari e strumenti che imitino la natura morbida e flessibile dei tessuti umani. Ciò è fondamentale perché consente a questi dispositivi di interagire in sicurezza con gli esseri umani ed eseguire compiti che i robot potrebbero trovare impegnativi. Immagina un robot in grado di afferrare delicatamente oggetti delicati o un dispositivo medico che si integri perfettamente con i tessuti umani.
Gli idrogel sono in prima linea nel rendere tutto ciò possibile grazie alla loro capacità unica di cambiare forma in risposta a vari stimoli. Questi materiali sono reti polimeriche rigonfie d’acqua che possono cambiare reversibilmente il volume in risposta a stimoli come la temperatura. Ciò li rende promettenti come attuatori morbidi: dispositivi altamente elastici che deformano ed esercitano forza, consentendo movimenti realistici importanti per i dispositivi biomedici e le interazioni sicure uomo-robot. Tuttavia, ci sono stati ostacoli nell’ottimizzazione delle loro prestazioni per le applicazioni del mondo reale. La maggior parte degli idrogel sono poroelastici, il che significa che le loro reti polimeriche resistono alla rapida deformazione e limitano il flusso interno dell’acqua. Ciò provoca risposte di attuazione lente dell'ordine di minuti o ore. Gli idrogel di poli(N-isopropilacrilammide) (PNIPAM) formano anche densi strati esterni della pelle quando riscaldati al di sopra della temperatura critica inferiore della soluzione, il che rallenta ulteriormente drasticamente la diffusione dell'acqua fuori dal gel sfuso. Combinati, questi effetti limitano gravemente la velocità ottenibile, la generazione di forza e la durata degli attuatori di idrogel. Ora, i ricercatori dell’Università di Kiel e i loro collaboratori riferiscono Materiale avanzato ("Superare i limiti della diffusione dell'acqua negli idrogel tramite reti microtubulari di grafene per attuatori morbidi") una soluzione di micro e nanoingegneria ispirata alla bioingegneria per migliorare le prestazioni dell'attuatore dell'idrogel. Incorporando una rete interconnessa di microtubi cavi di grafene negli idrogel PNIPAM, il team ha ottenuto un’attuazione fino al 400% più veloce e uno stress di attuazione superiore del 4000% rispetto al PNIPAM puro, senza sacrificare la stabilità meccanica. I microtubi forniscono percorsi rapidi per il trasporto dell'acqua, superando i vincoli poroelastici. Sembra inoltre che il grafene impedisca la chiusura completa dei pori durante il rigonfiamento, consentendo un rigonfiamento più rapido. Con solo il 5.4% di porosità, la resistenza viene mantenuta.
Idrogel di poli(N-isopropilacrilammide)-grafene esfoliato termoresponsivo micro e nanoingegnerizzato (PNIPAM-EG). a) Combinazione di una rete di microtubi cavi di grafene interconnessi e una matrice idrogel PNIPAM. b) Schema di fabbricazione degli idrogel PNIPAM-EG. c) Rendering 3D della rete di microtubi ottenuta dalla tomografia microcomputerizzata di struttura PNIPAM. I componenti collegati vengono visualizzati nello stesso colore. Barra della scala: 200 µm. d) Il contenuto di grafene negli idrogel PNIPAM-EG è regolabile e può essere applicato a regioni specifiche come modello. (Ristampato con il permesso di Wiley-VCH Verlag) Il team ha fabbricato i microtubi rivestendo modelli di ossido di zinco stampati in 3D con grafene utilizzando un processo chimico umido. La successiva rimozione del modello e il riempimento del PNIPAM hanno prodotto attuatori di idrogel su scala centimetrica pervasi dai microtubi. Oltre a migliorare geometricamente il trasporto dell’acqua, l’interfaccia del grafene può anche perforare gli strati cutanei del PNIPAM per facilitare il movimento dell’acqua.
Grafene è elettricamente conduttivo e può essere riscaldato con la luce. Ciò consente ai ricercatori di controllare con precisione l’attuazione, utilizzando la luce o l’elettricità. Il contenuto variabile di grafene ha fornito un controllo accurato sui tempi di risposta. Le applicazioni dimostrate includevano pinze a doppio strato attivate dall'illuminazione per afferrare e rilasciare oggetti. Il riscaldamento Joule ha indotto rapidamente una variazione omogenea del volume, consentendo l'attivazione ripetitiva di una pinza di idrogel elettrificata. In sintesi, i microtubi di grafene hanno reso gli idrogel più forti e hanno permesso all’acqua di muoversi attraverso di essi più facilmente. L’approccio della microingegneria modulare potrebbe probabilmente essere esteso ad altri nanomateriali e sistemi polimerici reattivi. I miglioramenti prestazionali dimostrati risolvono le principali limitazioni che hanno limitato le applicazioni reali degli attuatori di idrogel. Facilitando il controllo illimitato e migliorando forza, velocità e durata, questo progresso apre opportunità nei dispositivi biomedici, nella robotica morbida, nei sensori e altro ancora.
By
Michael
Berger
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- Michael è autore di tre libri della Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: spingendo i confini della tecnologia,
Nanotecnologia: il futuro è minuscoloe
Nanoingegneria: abilità e strumenti che rendono invisibile la tecnologia
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