Alors que le film "Transformers" présentait des robots intelligents qui se transformaient entre des formes aux fonctionnalités multiples, les chercheurs développent des transformateurs souples intelligents pour accélérer considérablement les applications de recherche en laboratoire. Dans un récent rapport maintenant publié dans Systèmes intelligents avancés , Dachuan Zhang et une équipe de recherche en science des matériaux et sciences chimiques en Chine, a proposé un transformateur souple télécommandé basé sur un système d'hydrogel à mémoire de forme. L'équipe a obtenu l'hydrogel en enrobant de la magnétite (Fe 3 O 4 ) nanoparticules magnétiques dans une structure polymère à double réseau de poly (N-(2-hydroxyéthyl) acrylamide) contenant de la gélatine.

La transformation réversible en triple hélice du constituant de la gélatine a conféré à l'hydrogel des propriétés de mémoire de forme et d'auto-guérison, tandis que les nanoparticules de magnétite ont donné des fonctions de chauffage photothermique et de manipulation magnétique pour déformer l'hydrogel pour la navigation dans un champ magnétique. L'équipe a ensuite pu restaurer la forme déformée via la récupération de forme à l'aide d'une irradiation lumineuse. Zhang et al. contrôlait à distance les processus de mémoire de forme grâce à un actionnement magnétique et à une mémoire de forme assistée par la lumière. Comme preuve de concept, ils ont créé une série de robots, y compris un athlète d'hydrogel qui pourrait faire des redressements assis, transformateurs d'hydrogel, un lotus en pleine floraison, et un vaisseau spatial d'hydrogel qui peut être amarré dans l'air. Le travail inspirera la conception et la fabrication de nouveaux systèmes polymères intelligents avec de multiples fonctionnalités synchronisées.

Hydrogels à mémoire de forme

Alors que les transformateurs fictifs permettaient aux robots durs de se transformer en n'importe quelle forme, y compris des véhicules, les transformateurs souples intéressent davantage la recherche fondamentale et les applications en sciences de la vie. Dans ce travail, Zhang et al. ont décrit un hydrogel à mémoire de forme à commande photothermique et magnétique. Ils ont combiné un polymère réticulé chimiquement et un réseau de gélatine réticulé de manière réversible intégré avec des nanoparticules de magnétite pour créer un photothermique et flexible, construction d'auto-guérison qui pourrait être manipulée magnétiquement. Les hydrogels à mémoire de forme (SMH) ont reçu une attention accrue car les matériaux polymères intelligents et les chercheurs visent à contrôler à distance ces matériaux pour établir divers comportements d'actionnement.

Par exemple, les polymères à mémoire de forme peuvent fixer des formes temporaires et récupérer leur architecture sous des stimuli externes, avec un intérêt croissant dans le domaine biomédical, textile, disciplines flexibles de l'électronique et du cryptage des données. Les nanoparticules magnétiques sont des additifs efficaces pour introduire un actionnement sans contact contrôlé à distance. Lorsque les hydrogels sont éclairés par une lumière proche infrarouge (NIR), ces nanoparticules magnétiques convertiront en continu la lumière en chaleur, provoquant le réchauffement de l'hydrogel. Cela provoquera une déformation réversible de l'hydrogel pour des applications en tant que robots mous se déplaçant librement. Cette stratégie contribuera à promouvoir le développement de nouveaux systèmes d'hydrogel à mémoire de forme pour des applications en tant que robots non attachés.

Propriétés des hydrogels à mémoire de forme

Étant donné que les hydrogels à mémoire de forme peuvent mémoriser leur forme de manière stable et temporaire et récupérer parfaitement la forme d'origine sous des stimuli spécifiques, l'équipe a effectué des tests de flexion avec le matériau, qu'ils ont abrégé en HG pour ses polymères constitutifs. Ils ont ensuite immergé un échantillon dans de l'eau chaude (60 degrés Celsius) pendant 30 secondes pour induire une désagrégation pour ramollir l'hydrogel, l'a retiré du milieu et récupéré les formes après réimmersion des hydrogels dans l'eau chaude (60 degrés Celsius). Zhang et al. a mené une série d'expériences contrôlées pour vérifier les facteurs affectant les performances de mémoire de forme de l'hydrogel. Comme preuve de concept, l'équipe a conçu et développé une fleur d'hydrogel pour imiter parfaitement la floraison d'un lotus.

Lorsque les chercheurs ont introduit des nanoparticules de magnétite pour former le HG-Fe 3 O 4 hydrogel, les constituants pourraient absorber et convertir la lumière en chaleur avec une irradiation lumineuse, provoquant une augmentation de la température de l'hydrogel. Lors de la conversion lumière-chaleur, le matériau a obtenu une auto-guérison photo-activée. Pour démontrer ce phénomène, l'équipe a créé un HG-Fe 3 O 4 station spatiale hydrogel sous un champ magnétique et appliqué NIR pour irradier les connecteurs et ancrer la construction semblable à un vaisseau spatial avec un connecteur semblable à une station spatiale pour réaliser l'auto-guérison et la reconnexion dans l'air.

Récupération de formes par effets photothermiques et contrôle à distance des processus de mémoire de forme

L'équipe n'a pu récupérer la forme de l'hydrogel HG qu'en régulant la température à une valeur spécifique, en l'absence de nanoparticules de magnétite. L'ajout de magnétite a conféré des propriétés magnétiques au HG-Fe 3 O 4 hydrogel pour permettre des cycles de récupération de mémoire de forme contrôlés à distance. Comme preuve de concept, l'équipe a développé un robot à transition de forme sous la forme d'un athlète en hydrogel pour se déformer de la 2D à la 3D. En l'absence de NIR et la présence d'un aimant, l'athlète d'hydrogel pourrait « pousser » rapidement, puis reprendre sa forme à la conformation plate lors du retrait de l'aimant. Dans la deuxième configuration, ils ont allumé le NIR et ont soulevé l'athlète d'hydrogel avec un aimant, puis a maintenu l'aimant allumé pendant deux minutes tout en éteignant le NIR pour permettre à l'athlète de se refroidir. L'équipe a gelé ce geste pendant une période après laquelle elle a permis au robot de revenir à sa position d'origine en rallumant à nouveau le NIR. Cette technique peut être utilisée pour développer des préhenseurs souples qui sont avantageux pour des applications en tant que robots chirurgicaux dans la recherche translationnelle.

L'équipe a également utilisé l'interaction entre les aimants permanents et les nanoparticules de magnétite constitutives du HG-Fe 3 O 4 hydrogel pour guider la construction pour la navigation directionnelle. A l'aide de l'hydrogel, ils ont montré comment la navigation directionnelle induite par un aimant pouvait guider un transformateur doux à travers un labyrinthe. De tels concepts expérimentaux ont un potentiel pour une gamme d'applications en tant que transporteurs souples pour transporter des marchandises pour l'administration et la libération de médicaments en biomédecine.

Perspectives pour les transformateurs doux dans les sciences de la vie

De cette façon, Dachuan Zhang et ses collègues ont développé une nouvelle méthode efficace pour construire des transformateurs d'hydrogel souple avec des propriétés magnétiques et photothermiques intégrées dans un système d'hydrogel à mémoire de forme (SMH). Le HG-Fe résultant 3 O 4 les hydrogels avaient des propriétés très avantageuses, notamment la déformation de forme sans contact, actionnement magnétique, performances photothermiques, auto-guérison et navigation directionnelle dans l'eau et l'air. L'équipe a développé une série de robots souples de preuve de concept pour démontrer les propriétés dynamiques du système SMH et pense que ce concept de conception inspirera le développement de nouveaux systèmes intelligents pour des applications en bio-ingénierie et en biomédecine.

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