a) Imágenes que muestran la transformación de forma de un transformador. b) El proceso de transformación de forma de un transformador de hidrogel blando bajo el acoplamiento de campo magnético y NIR. c) Las imágenes SEM del hidrogel HG ‐ Fe3O4. d) La ilustración esquemática de la transición de la gelatina entre la estructura de la bobina y la de triple hélice. e) El transformador suave puede cruzar las muescas estrechas después de la transformación de la forma. f) El transformador suave primero se deforma en una forma doblada, luego pasa por los estrechos pasajes del laberinto especial, y finalmente recupera la forma original en un área amplia. Crédito:Sistemas inteligentes avanzados, doi:10.1002 / aisy.202000208
Mientras que la película "Transformers" presentó robots inteligentes que se transformaron entre formas con múltiples funcionalidades, Los investigadores están desarrollando transformadores blandos inteligentes para acelerar significativamente las aplicaciones de investigación en el laboratorio. En un informe reciente ahora publicado en Sistemas inteligentes avanzados , Dachuan Zhang y un equipo de investigación en ciencia de materiales y ciencias químicas en China, propuso un transformador suave controlado a distancia basado en un sistema de hidrogel con memoria de forma. El equipo obtuvo el hidrogel incrustando magnetita (Fe 3 O 4 ) nanopartículas magnéticas en una estructura polimérica de doble red de poli (N- (2-hidroxietil) acrilamida) que contiene gelatina.
La transformación reversible de espiral-triple hélice del constituyente de gelatina imbuyó al hidrogel con memoria de forma y propiedades de autocuración, mientras que las nanopartículas de magnetita proporcionaron funciones de manipulación magnética y calentamiento fototérmico para deformar el hidrogel para la navegación en un campo magnético. Luego, el equipo pudo restaurar la forma deformada mediante la recuperación de la forma mediante irradiación de luz. Zhang y col. controló de forma remota los procesos de memoria de forma a través de la activación magnética y la memoria de forma asistida por luz. Como prueba de concepto, crearon una serie de robots, incluyendo un atleta de hidrogel que podría hacer abdominales, transformadores de hidrogel, un loto en plena floración, y una nave espacial de hidrogel que se puede atracar en el aire. El trabajo inspirará el diseño y la fabricación de nuevos sistemas de polímeros inteligentes con múltiples funcionalidades sincronizadas.
Hidrogeles con memoria de forma
Si bien los transformadores ficticios permitieron que los robots duros se transformaran en cualquier forma, incluidos los vehículos, Los transformadores blandos son de mayor interés en la investigación fundamental y las aplicaciones en las ciencias de la vida. En este trabajo, Zhang y col. describió un hidrogel con memoria de forma controlado magnéticamente y fototérmica. Combinaron un polímero químicamente reticulado y una red de gelatina reticulada reversiblemente incrustada con nanopartículas de magnetita para crear un material fototérmico y flexible, construcción autocurativa que podría manipularse magnéticamente. Los hidrogeles con memoria de forma (SMH) han recibido una mayor atención como materiales poliméricos inteligentes y los investigadores tienen como objetivo controlar de forma remota dichos materiales para establecer diversos comportamientos de actuación.
El proceso de floración de un hidrogel Lotus. Crédito:Sistemas inteligentes avanzados, doi:10.1002 / aisy.202000208
Por ejemplo, Los polímeros con memoria de forma pueden fijar formas temporales y recuperar su arquitectura bajo estímulos externos, con creciente interés en la biomedicina, textil, disciplinas de cifrado de datos y electrónica flexible. Las nanopartículas magnéticas son aditivos eficaces para introducir un accionamiento sin contacto controlado de forma remota. Cuando los hidrogeles se iluminan con luz infrarroja cercana (NIR), estas nanopartículas magnéticas convertirán continuamente la luz en calor, haciendo que el hidrogel se caliente. Esto provocará una deformación reversible del hidrogel para aplicaciones como robots blandos que se mueven libremente. Esta estrategia ayudará a promover el desarrollo de nuevos sistemas de hidrogel con memoria de forma para aplicaciones como robots sin ataduras.
Propiedades de los hidrogeles con memoria de forma
Dado que los hidrogeles con memoria de forma pueden memorizar de forma estable y temporal su forma y recuperar la forma original perfectamente bajo estímulos específicos, el equipo realizó pruebas de flexión con el material, que abrevian como HG para sus polímeros constituyentes. Luego sumergieron una muestra en agua caliente (60 grados Celsius) durante 30 segundos para inducir la desagregación y ablandar el hidrogel. lo retiró del medio y recuperó las formas después de volver a sumergir los hidrogeles en agua caliente (60 grados Celsius). Zhang y col. llevó a cabo una serie de experimentos controlados para verificar los factores que afectan el rendimiento de la memoria de forma del hidrogel. Como prueba de concepto, el equipo diseñó y desarrolló una flor de hidrogel para imitar perfectamente la flor de un loto.
La conexión de una nave espacial de hidrogel y una estación espacial de hidrogel en el aire. Crédito:Sistemas inteligentes avanzados, doi:10.1002 / aisy.202000208
Cuando los investigadores introdujeron nanopartículas de magnetita para formar el HG-Fe 3 O 4 hidrogel, los componentes podrían absorber y convertir la luz en calor con irradiación de luz, provocando que la temperatura del hidrogel aumente. Durante la conversión de luz a calor, el material logró la autocuración fotoactivada. Para demostrar este fenómeno, el equipo creó un HG-Fe 3 O 4 estación espacial de hidrogel bajo un campo magnético y se aplicó NIR para irradiar los conectores y acoplar la construcción similar a una nave espacial con un conector similar a una estación espacial para realizar la autocuración y la reconexión en el aire.
Recuperar formas a través de efectos fototérmicos y controlar de forma remota los procesos de memoria de forma
El equipo solo pudo lograr la recuperación de la forma del hidrogel de HG regulando la temperatura a un valor específico, en ausencia de nanopartículas de magnetita. La adición de magnetita confirió propiedades magnéticas al HG-Fe. 3 O 4 hidrogel para permitir ciclos de recuperación de memoria de forma controlados de forma remota. Como prueba de concepto, el equipo desarrolló un robot de transición de forma en forma de un atleta de hidrogel para deformarlo de 2-D a 3-D. En ausencia de NIR y la presencia de un imán, el atleta de hidrogel podría 'empujar hacia arriba' rápidamente, luego recupera su forma a la conformación plana al retirar el imán. En la segunda configuración, encendieron NIR y levantaron al atleta de hidrogel con un imán, luego mantuvo el imán encendido durante dos minutos mientras apagaba el NIR para permitir que el atleta se enfriara. El equipo congeló este gesto durante un período de tiempo después del cual permitieron que el robot regresara a su posición original encendiendo nuevamente el NIR. Esta técnica se puede utilizar para desarrollar pinzas blandas que son ventajosas para aplicaciones como robots quirúrgicos en investigación traslacional.
Un atleta de hidrogel que hace abdominales con la ayuda del campo magnético y NIR. Crédito:Sistemas inteligentes avanzados, doi:10.1002 / aisy.202000208
El equipo también utilizó la interacción entre los imanes permanentes y las nanopartículas de magnetita constituyentes del HG-Fe. 3 O 4 hidrogel para guiar la construcción para la navegación direccional. Usando el hidrogel, demostraron cómo la navegación direccional inducida por imanes podía guiar un transformador suave a través de un laberinto. Estos conceptos experimentales tienen potencial para una variedad de aplicaciones como transportadores suaves para transportar carga para la entrega y liberación de medicamentos en biomedicina.
Navegación magnética direccional y recuperación de forma fototérmica. a) El aumento de temperatura del hidrogel HG ‐ Fe3O4 con 1% en peso de Fe3O4 en agua y aire cuando se ilumina con NIR. b) Las imágenes infrarrojas del hidrogel HG ‐ Fe3O4 con 1% en peso de Fe3O4 en agua y aire cuando se iluminan con NIR para 0, 60, 120, 180 s. c) Ilustración esquemática de la navegación direccional de Transformer y su proceso de transformación de forma. d) El transformador suave de tres patas no puede cruzar las muescas estrechas sin que la forma cambie, y puede cruzar las muescas estrechas después de que la forma doblada se bloquee con la ayuda del campo magnético y la luz NIR. e) Las imágenes que muestran un robot de tres patas primero se deforman en una forma doblada, luego navega por un laberinto especial guiado por un imán, y recupera la forma desplegada cuando se ilumina con NIR (la densidad de energía es de 3,06 W cm − 2). Barras de escala:2 cm. Crédito:Sistemas inteligentes avanzados, doi:10.1002 / aisy.202000208
Perspectivas de los transformadores blandos en las ciencias de la vida
De este modo, Dachuan Zhang y sus colegas desarrollaron un método nuevo y eficaz para construir transformadores de hidrogel blando con propiedades magnéticas y fototérmicas integradas en un sistema de hidrogel con memoria de forma (SMH). El HG-Fe resultante 3 O 4 los hidrogeles tenían propiedades muy ventajosas, incluida la deformación de la forma sin contacto, actuación magnética, rendimiento fototérmico, autorreparación y navegación direccional en agua y aire. El equipo desarrolló una serie de robots blandos de prueba de concepto para demostrar las propiedades dinámicas del sistema SMH y cree que este concepto de diseño inspirará el desarrollo de nuevos sistemas inteligentes para aplicaciones en bioingeniería y biomedicina.
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