4D打印技术开拓软体机器人在药物控释等方面的应用前景

软体机器人是一种新型柔软机器人，能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全。机器人本体利用柔软材料制作，一般认为是杨氏模量低于人类肌肉的材料;区别于传统机器人电机驱动，软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料;一般有介电弹性体(DE)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等等，从响应的物理量暂时分为如下几类：电场、压力、磁场、化学反应、光、温度。科学家依此设计了各种各样的软体机器人，大多数软体机器人的设计是模仿自然界各种生物，如蚯蚓、章鱼、水母等。

近日，沈自所采用4D打印技术制备的软体机器人在近红外光和磁场的联合驱动下，展示了弯曲形变、夹取及搬运功能，在微结构搬运、药物控释等方面显示出重要的应用前景。

从软体机器人的四肢、躯干以及内部格局来看，看似有点像一朵简化的雪花，其中央“脊梁管”连接任意一个通道(分支);机器人有两层聚合物，一层延伸甚广，一层坚不可摧。当空气注入四肢后，具有弹性的腔体会像气球一样扩张，但腔体材料却不舒展且四肢蜷缩。当弯曲时，借助肢体与周围摩擦力作用产生的横向推力，整个身体可以不断向前推进(在肢体驱动下，机器人可以爬行)。

这种新型柔体机器人可采用合成纸质材料、纤维织物和金属丝增强结构，具有硅胶外形。当它们模塑成型之后，该机器人与复杂的压缩气体源进行连接，例如：空气注射泵。

4D打印，比3D打印多了一个“D”也就是时间维度，人们可以通过软件设定模型和时间，变形材料会在设定的时间内变形为所需的形状。准确地说4D打印是一种能够自动变形的材料，直接将设计内置到物料当中，不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。4D打印最关键是记忆合金。

这项技术由麻省理工学院的自组装实验室开发和明尼苏达州和以色列合资的一家3D打印机制造商斯特塔西有限公司合作开发。4D打印不但能够创造出有智慧、有适应能力的新事物，还可以彻底改变传统的工业打印甚至建筑行业。

第4维度指的是时间，该技术就是让物体随着时间的推移，自我进行变化。例如家具可以自行组装。这种技术需要一种可以创造多层材料的特制3D打印机，水作为材料打印出后进行扩展的能量来源。该技术仍面临诸多难题。这个非常棒的概念就是创造出一种能够在被打印出来之后发生改变的物体，而且它们能够进行自我调整。打印不再是创造过程的终结，

温敏性水凝胶是一种聚N-异丙基丙烯酰胺和聚乙二醇的嵌段共聚物，其在低温下为液态，高温时凝聚，这种状态的变化随温度可逆。它同时具有聚合材料的多种特征，如网络结构和高含水量，广泛的运用于医药生命科学等多种领域，包括但不仅限于3D培养、组织工程和药物传送这些。该聚合物早在2000年初就已经商业化，研究证明，温敏性水凝胶的特性使其非常适合应用于细胞培养和组织工程。

在实验操作中，该特性特别有利于进行细胞操作，比如可轻松向冷确的温敏性水凝胶中加入培养基，可通过给培养瓶降温的方式进行细胞离心收集。

在凝胶状态时，它的高亲脂性为细胞增殖、细胞信号转导、气体质量交换以及细胞和组织对剪切力的防御等提供了非常有效的生长环境。

新闻来源：沈阳自动化研究所

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