a) Imagens que mostram a transformação da forma de um Transformer. b) O processo de transformação da forma de um transformador de hidrogel suave sob o acoplamento de campo magnético e NIR. c) As imagens SEM do hidrogel HG ‐ Fe3O4. d) A ilustração esquemática da transição da gelatina entre a estrutura da bobina e da hélice tripla. e) O transformador macio pode cruzar os entalhes estreitos após a transformação da forma. f) O transformador macio primeiro se deforma em uma forma dobrada, então passa pelas passagens estreitas do labirinto especial, e finalmente recupera a forma original em uma área ampla. Crédito:Sistemas Inteligentes Avançados, doi:10.1002 / aisy.202000208
Enquanto o filme "Transformers" apresentava robôs inteligentes que se transformavam em formas com múltiplas funcionalidades, os pesquisadores estão desenvolvendo transformadores suaves inteligentes para acelerar significativamente as aplicações de pesquisa em laboratório. Em um relatório recente agora publicado em Sistemas Inteligentes Avançados , Dachuan Zhang e uma equipe de pesquisa em ciência de materiais e ciências químicas na China, propôs um transformador macio controlado remotamente baseado em um sistema de hidrogel com memória de forma. A equipe obteve o hidrogel incorporando magnetita (Fe 3 O 4 ) nanopartículas magnéticas em uma estrutura de polímero de rede dupla de gelatina contendo poli (N- (2-hidroxietil) acrilamida).
A transformação reversível bobina-hélice tripla do constituinte da gelatina imbuiu o hidrogel com memória de forma e propriedades de autocura, enquanto as nanopartículas de magnetita deram aquecimento fototérmico e funções de manipulação magnética para deformar o hidrogel para navegação em um campo magnético. A equipe poderia então restaurar a forma deformada por meio da recuperação da forma usando irradiação de luz. Zhang et al. controlou remotamente os processos de memória de forma por meio de atuação magnética e memória de forma assistida por luz. Como prova de conceito, eles criaram uma série de robôs, incluindo um atleta de hidrogel que poderia fazer abdominais, transformadores de hidrogel, um lótus em plena floração, e uma espaçonave de hidrogel que pode ser ancorada no ar. O trabalho inspirará o projeto e a fabricação de novos sistemas de polímeros inteligentes com múltiplas funcionalidades sincronizadas.
Hidrogéis com memória de forma
Enquanto os transformadores fictícios permitiam que robôs rígidos se transformassem em qualquer forma, incluindo veículos, os transformadores suaves são de maior interesse em pesquisas fundamentais e aplicações em ciências da vida. Nesse trabalho, Zhang et al. descreveu um hidrogel com memória de forma controlado fototermicamente e magneticamente. Eles combinaram um polímero reticulado quimicamente e uma rede de gelatina reticulada reversivelmente incorporada com nanopartículas de magnetita para criar um sistema fototérmico e flexível, construção de autocura que pode ser manipulada magneticamente. Os hidrogéis com memória de forma (SMHs) têm recebido atenção crescente como materiais poliméricos inteligentes e os pesquisadores visam controlar remotamente esses materiais para estabelecer diversos comportamentos de atuação.
O processo de florescimento de um hidrogel Lotus. Crédito:Sistemas Inteligentes Avançados, doi:10.1002 / aisy.202000208
Por exemplo, polímeros com memória de forma podem corrigir formas temporárias e recuperar sua arquitetura sob estímulos externos, com interesse crescente na área biomédica, têxtil, eletrônica flexível e disciplinas de criptografia de dados. Nanopartículas magnéticas são aditivos eficazes para introduzir acionamento sem contato controlado remotamente. Quando os hidrogéis são iluminados com luz infravermelha próxima (NIR), essas nanopartículas magnéticas irão continuamente converter luz em calor, fazendo com que o hidrogel seja aquecido. Isso causará deformação reversível do hidrogel para aplicações como robôs leves que se movem livremente. Esta estratégia ajudará a promover o desenvolvimento de novos sistemas de hidrogel com memória de forma para aplicações como robôs sem amarras.
Propriedades dos hidrogéis com memória de forma
Uma vez que os hidrogéis com memória de forma podem memorizar de forma estável e temporária sua forma e recuperar a forma original perfeitamente sob estímulos específicos, a equipe realizou testes de flexão com o material, que eles abreviaram como HG para seus polímeros constituintes. Eles então imergiram uma amostra em água quente (60 graus Celsius) por 30 segundos para induzir a desagregação para amolecer o hidrogel, removeu-o do meio e recuperou as formas após reimersão dos hidrogéis em água quente (60 graus Celsius). Zhang et al. conduziu uma série de experimentos controlados para verificar os fatores que afetam o desempenho da memória de forma do hidrogel. Como prova de conceito, a equipe projetou e desenvolveu uma flor de hidrogel para imitar perfeitamente o desabrochar de um lótus.
A conexão de uma nave espacial de hidrogel e uma estação espacial de hidrogel no ar. Crédito:Sistemas Inteligentes Avançados, doi:10.1002 / aisy.202000208
Quando os pesquisadores introduziram nanopartículas de magnetita para formar o HG-Fe 3 O 4 hidrogel, os constituintes podem absorver e converter luz em calor com irradiação de luz, fazendo com que a temperatura do hidrogel aumente. Durante a conversão de luz em calor, o material obteve autocura fotoativada. Para demonstrar esse fenômeno, a equipe criou um HG-Fe 3 O 4 estação espacial de hidrogel sob um campo magnético e NIR aplicado para irradiar os conectores e encaixar a construção semelhante a uma nave espacial com um conector semelhante a uma estação espacial para realizar a autocura e reconexão no ar.
Recuperando formas por meio de efeitos fototérmicos e controlando remotamente os processos de memória de forma
A equipe só conseguiu recuperar a forma do hidrogel de HG regulando a temperatura para um valor específico, na ausência de nanopartículas de magnetita. A adição de magnetita conferiu propriedades magnéticas ao HG-Fe 3 O 4 hidrogel para permitir ciclos de recuperação de memória de forma controlados remotamente. Como prova de conceito, a equipe desenvolveu um robô de transição de forma na forma de um atleta de hidrogel para deformar de 2-D para 3-D. Na ausência de NIR e na presença de um ímã, o atleta de hidrogel poderia 'empurrar' rapidamente, em seguida, recupere sua forma para a conformação plana na remoção do ímã. Na segunda configuração, eles ligaram o NIR e levantaram o atleta de hidrogel com um ímã, em seguida, manteve o ímã ligado por dois minutos enquanto desligava o NIR para permitir que o atleta esfriasse. A equipe congelou esse gesto por um período de tempo após o qual permitiu que o robô retornasse à sua posição original ligando o NIR novamente. Esta técnica pode ser usada para desenvolver garras macias que são vantajosas para aplicações como robôs cirúrgicos em pesquisa translacional.
Atleta de hidrogel fazendo abdominais com auxílio de campo magnético e NIR. Crédito:Sistemas Inteligentes Avançados, doi:10.1002 / aisy.202000208
A equipe também usou a interação entre ímãs permanentes e as nanopartículas de magnetita constituintes do HG-Fe 3 O 4 hidrogel para guiar a construção para navegação direcional. Usando o hidrogel, eles mostraram como a navegação direcional induzida por ímã pode guiar um transformador macio através de um labirinto. Tais conceitos experimentais têm potencial para uma gama de aplicações como transportadores leves para transporte de carga para entrega e liberação de drogas em biomedicina.
Navegação direcional magnética e recuperação da forma fototérmica. a) O aumento da temperatura do hidrogel HG ‐ Fe3O4 com 1% em peso de Fe3O4 na água e no ar quando iluminado por NIR. b) As imagens infravermelhas do hidrogel HG ‐ Fe3O4 com 1% em peso de Fe3O4 na água e no ar quando iluminado por NIR por 0, 60, 120, 180 s. c) Ilustração esquemática da navegação direcional do Transformer e seu processo de transformação de forma. d) O transformador macio de três patas não pode cruzar os entalhes estreitos sem transformar a forma, e pode cruzar os entalhes estreitos após a forma dobrada ser travada com o auxílio do campo magnético e da luz NIR. e) As imagens que mostram um robô de três patas primeiro se deforma em uma forma dobrada, em seguida, navegue por um labirinto especial guiado por um ímã, e recupera a forma desdobrada quando iluminada por NIR (a densidade de energia é 3,06 W cm − 2). Barras de escala:2 cm. Crédito:Sistemas Inteligentes Avançados, doi:10.1002 / aisy.202000208
Outlook para transformadores suaves em ciências da vida
Desta maneira, Dachuan Zhang e colegas desenvolveram um método novo e eficaz para construir transformadores de hidrogel macio com propriedades magnéticas e fototérmicas integradas em um sistema de hidrogel com memória de forma (SMH). O HG-Fe resultante 3 O 4 hidrogéis tinham propriedades altamente vantajosas, incluindo deformação de forma sem contato, atuação magnética, desempenho fototérmico, autocura e navegação direcional na água e no ar. A equipe desenvolveu uma série de soft robots de prova de conceito para demonstrar as propriedades dinâmicas do sistema SMH e acredita que este conceito de design irá inspirar o desenvolvimento de novos sistemas inteligentes para aplicações em bioengenharia e biomedicina.
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