DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-023-01287-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38175419
تاريخ النشر: 2024-01-04
المؤلف: He Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
نظرة عامة
تقدم هذه البحث هيدروجيل متدرج مستوحى من الطبيعة ذاتية الاستشعار تم تطويره من خلال طريقة تعتمد على القابلية للرطوبة تشمل ترسيب صفائح MoO₂ النانوية. يظهر هذا الهيدروجيل خصائص ملحوظة، بما في ذلك معدل تشغيل حراري سريع للغاية يبلغ 21° s⁻¹، وكفاءة ضوئية حرارية تبلغ 3.7 °C s⁻¹ تحت ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) عند 808 نانومتر، وحساسية عالية مع عامل قياس (GF) يبلغ 3.94. يسمح التدرج في القابلية للرطوبة، الناتج عن ترسيب الصفائح النانوية، بتطبيقات متعددة، مثل العمل كقابض للتلاعب السريع بالأشياء وخدمة كعناصر في أنظمة الروبوتات اللينة مثل القزحيات الاصطناعية وقناديل البحر البيونية.
تمتد قدرات الهيدروجيل إلى التشغيل القابل للبرمجة وعرض المعلومات باستخدام أنماط أيونات الكالسيوم (Ca²⁺)، إلى جانب قابلية استثنائية للتمدد (600%) وأوقات استجابة سريعة (140 مللي ثانية). يتم تسليط الضوء على تطبيقه كحساس لحركة الإنسان والإشارات الفسيولوجية، مما يؤدي إلى إنشاء لسان مستوحى من الطبيعة ذاتي الاستشعار. علاوة على ذلك، يتيح التكامل مع تكنولوجيا إنترنت الأشياء (IoT) قياس مسارات الحركة لتطبيقات التحكم عن بعد، مما يسهل التفاعلات الذكية بين المشغلات اللينة والأيدي الروبوتية المدعومة بتقنية البلوتوث. يساهم هذا العمل بشكل كبير في تقدم مجال المواد متعددة الوظائف ذاتية الاستشعار، مما يمهد الطريق للروبوتات اللينة التفاعلية الذكية في المستقبل.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الإلهام المستمد من الطبيعة لتطوير الروبوتات اللينة المستوحاة من الطبيعة، والتي تحاكي التشوه المرن وقدرات الاستشعار الذاتي لمجموعة متنوعة من الكائنات الحية. على الرغم من التقدم في المشغلات اللينة وأجهزة الاستشعار المرنة، لا يزال هناك قيد كبير: معظم المشغلات اللينة تفتقر إلى القدرة على استشعار المحفزات الخارجية، مما يستلزم تضمين أجهزة استشعار تعقد التصميم والتصنيع. لقد أثار هذا اهتمامًا في إنشاء روبوتات لينة ذاتية الاستشعار متعددة الوظائف، خاصة من خلال استخدام الهيدروجيل المستجيب للمحفزات الذي يمكن أن يتفاعل مع التغيرات البيئية مثل درجة الحرارة والضوء.
أدت الابتكارات الأخيرة إلى دمج المواد الموصلة في الهيدروجيل، مما يمكّن من كل من التشغيل وقدرات الاستشعار. على سبيل المثال، أظهر تطوير مشغلات هيدروجيل ذاتية الاستشعار ذات طبقتين وعدًا، على الرغم من أن التحديات مثل سرعة التشغيل الضعيفة والانفصال لا تزال قائمة. تقدم الورقة نهجًا جديدًا باستخدام طريقة تعتمد على القابلية للرطوبة لإنشاء هيدروجيل متدرج يظهر تشغيلًا سريعًا للغاية وقدرات استشعار عالية، محققًا سرعات انحناء تبلغ 21° s⁻¹ في الماء الدافئ. يمكن استخدام هذا الهيدروجيل في تطبيقات عملية، مثل قابض لينة، ويظهر كفاءة ضوئية حرارية استثنائية تحت ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR). علاوة على ذلك، يسهل تكامل تكنولوجيا إنترنت الأشياء (IoT) التفاعلات عن بعد بين الروبوتات اللينة والصلبة، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في مجال الروبوتات اللينة وتفاعل الإنسان مع الآلة.
مناقشة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون هيدروجيل متدرج مستوحى من الطبيعة ذاتي الاستشعار (PSM) من خلال التفاعل المشترك في الموقع لـ N-isopropylacrylamide (NIPAM) و sodium alginate (SA) في وجود ثنائي أكسيد الموليبدينوم (MoO₂). أدت طريقة التحضير إلى هيكل متدرج مميز، تم تأكيده بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والذي أثر على الخصائص الميكانيكية واستجابة الهيدروجيل. أظهرت هيدروجيل PSM قوة شد محسنة وامتداد، حيث أظهر المتغير PSM 0.6 انحناء كسر يبلغ 666% وضغط كسر يبلغ 23.9 كيلو باسكال. أدى إدخال CaCl₂ إلى تحسين سرعة التشغيل، مما سمح للهيدروجيل بالانحناء بسرعة استجابةً للمحفزات الحرارية، محققًا زاوية انحناء تبلغ 336° بمعدل 21° s⁻¹.
كما أظهرت الهيدروجيل استجابة مثيرة للإعجاب للتشغيل الضوئي بسبب التأثير الضوئي الحراري لـ MoO₂، حيث أدت الزيادات في درجة الحرارة تحت ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) إلى انحناء كبير. أظهر المؤلفون قدرات تشوه قابلة للبرمجة من خلال نمذجة Ca²⁺ للتشابك المحلي، مما يمكّن من حركات معقدة وعرض المعلومات. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت هيدروجيل PSM حساسية عالية في استشعار الإجهاد، مع عامل قياس يبلغ 3.94 على مدى واسع من الإجهاد، وكانت قادرة على اكتشاف الإشارات الفسيولوجية البشرية. سهل تكامل هذه الهيدروجيل مع تكنولوجيا إنترنت الأشياء التفاعلات عن بعد بين أنظمة الروبوتات اللينة والصلبة، مما يبرز إمكاناتها لتطبيقات في الروبوتات الذكية والمشغلات اللينة. بشكل عام، تقدم هذه البحث تقدمًا كبيرًا في تطوير الهيدروجيل متعددة الوظائف ذاتية الاستشعار، مما يمهد الطريق للابتكارات المستقبلية في الروبوتات اللينة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-023-01287-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38175419
Publication Date: 2024-01-04
Author(s): He Liu et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Overview
The research presents a novel bioinspired self-sensing actuated gradient hydrogel developed through a wettability-based method involving the precipitation of MoO₂ nanosheets. This hydrogel demonstrates remarkable properties, including an ultrafast thermo-responsive actuation rate of 21° s⁻¹, a photothermal efficiency of 3.7 °C s⁻¹ under 808 nm near-infrared (NIR) light, and high sensitivity with a gauge factor (GF) of 3.94. The gradient in wettability, resulting from the nanosheet deposition, allows for versatile applications, such as functioning as a gripper for rapid object manipulation and serving as components in soft robotic systems like artificial irises and bionic jellyfish.
The hydrogel’s capabilities extend to programmable actuation and information display using calcium ion (Ca²⁺) patterns, alongside exceptional stretchability (600%) and rapid response times (140 ms). Its application as a sensor for human motion and physiological signals is highlighted, leading to the creation of a self-sensing bioinspired tongue. Furthermore, integration with Internet of Things (IoT) technology enables the quantification of motion trajectories for remote control applications, facilitating intelligent interactions between soft actuators and Bluetooth-enabled robotic hands. This work significantly advances the field of multifunctional self-sensing materials, laying the groundwork for future intelligent interactive soft robotics.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the inspiration drawn from nature for the development of bioinspired soft robots, which mimic the flexible deformation and self-sensing capabilities of various organisms. Despite advancements in soft actuators and flexible sensors, a significant limitation remains: most soft actuators lack the ability to sense external stimuli, necessitating the embedding of sensors that complicate design and manufacturing. This has spurred interest in creating multifunctional self-sensing soft robots, particularly through the use of stimulus-responsive hydrogels that can react to environmental changes such as temperature and light.
Recent innovations have led to the incorporation of conductive materials into hydrogels, enabling both actuation and sensing capabilities. For example, the development of bilayer self-sensing hydrogel actuators has shown promise, although challenges such as poor actuation speed and delamination persist. The paper presents a novel approach using a wettability-based method to create a gradient hydrogel that exhibits ultrafast actuation and high sensing capabilities, achieving bending speeds of 21° s⁻¹ in warm water. This hydrogel can be utilized in practical applications, such as a soft gripper, and demonstrates exceptional photothermal efficiency under near-infrared (NIR) light. Furthermore, the integration of Internet of Things (IoT) technology facilitates remote interactions between soft and hard robots, marking a significant advancement in the field of soft robotics and human-machine interaction.
Discussion
In this study, the authors developed a novel bioinspired self-sensing gradient hydrogel (PSM) through the in situ copolymerization of N-isopropylacrylamide (NIPAM) and sodium alginate (SA) in the presence of molybdenum dioxide (MoO₂). The preparation method resulted in a distinct gradient structure, confirmed by scanning electron microscopy (SEM), which influenced the mechanical properties and responsiveness of the hydrogel. The PSM hydrogels exhibited enhanced tensile strength and strain, with the PSM 0.6 variant demonstrating a fracture strain of 666% and a fracture stress of 23.9 kPa. The introduction of CaCl₂ further improved the actuation speed, allowing the hydrogel to bend rapidly in response to thermal stimuli, achieving a bending angle of 336° at a rate of 21° s⁻¹.
The hydrogels also displayed impressive light-responsive actuation due to the photothermal effect of MoO₂, with temperature increases under near-infrared (NIR) light leading to significant bending. The authors demonstrated programmable deformation capabilities by patterning Ca²⁺ for localized crosslinking, enabling complex movements and information display. Additionally, the PSM hydrogels exhibited high sensitivity in strain sensing, with a gauge factor of 3.94 over a broad strain range, and were capable of detecting human physiological signals. The integration of these hydrogels with IoT technology facilitated remote interactions between soft and hard robotic systems, showcasing their potential for applications in intelligent robotics and soft actuators. Overall, this research presents a significant advancement in the development of multifunctional self-sensing hydrogels, paving the way for future innovations in soft robotics.