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瑞博app_3D打印助力人造皮肤研究

2020-08-15 17:24:45

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瑞博app官方下载_复旦大学武培怡教授在MaterialsHorizons上公开发表了一种利用3D打印机技术生产的人工皮肤,用于捷诺飞研发的生物3D打印机,通过性刺激号召性水凝胶的体积热力学不道德将外界性刺激改变为电信号,强化水凝胶类仿生皮肤的传感功能,为人造皮肤的研究获取了一种极具潜力的方法。过去几十年内,仿真人体皮肤长量程感官功能和强劲剪切性能的柔性电子器件层出不穷。这类被称作“人造皮肤”的器件可以感官温度、压力、形变、震动和生物标记物并将其转化成为可分析的电信号,为医疗保健、可穿着设备和软体机器人等领域获取了新的机遇。复旦大学武培怡教授在MaterialsHorizons上公开发表了一种利用3D打印机技术生产的人工皮肤,通过性刺激号召性水凝胶的体积热力学不道德将外界性刺激改变为电信号,强化水凝胶类仿生皮肤的传感功能,为人造皮肤的研究获取了一种极具潜力的方法。

图1.网格水凝胶材料与聚乙烯材料结合构成的人造皮肤由于“电子皮肤”无法超过人造皮肤材料较低模量、低机械适应性、透光性等拒绝,科学家们明确提出了“离子皮肤”的概念:用于同时具备生物相容性和离子导电性的水凝胶作为人造皮肤的材料。离子皮肤在生理和机械性能上都比电子皮肤更加相似人体皮肤,但其传感性能仍有缺陷。武教授的团队用于的PDMA-C18水凝胶具备治愈的能力、对曲面的顺应性以及对压力的高敏感度。他们利用3D打印机技术将这种材料做成了网格结构的离子导电层,并在两层水凝胶中重新加入聚乙烯薄膜做成的绝缘层,构成一个电容器(如图1),提高了离子皮肤产生的电信号。

在打印机过程中,水凝胶材料再行在料筒中被冷却并维持在45℃约一小时以上,随后通过一根0.41毫米直径的平头针头以6mm/s的速度吸管在10℃的打印机平台上。测试证明网格结构的水凝胶与实心结构的水凝胶没流变性能的差异,会转变人造皮肤的延展性。图2.由3D打印机生产的具有亚毫米级别网格结构的水凝胶材料网格结构起着了缩放皮肤形态变化的起到,强化了人造皮肤对应力和形变的感官能力。图3对比了具备网格结构的水凝胶材料和实心结构水凝胶材料在有所不同性刺激下产生的电信号。

在高于1kPa的范围内,网格结构水凝胶的信号灵敏度是实心结构水凝胶的信号灵敏度的五倍。并且和其他文献比起,仅有不含微结构的PDMS材料的灵敏度可以与这种网格结构相媲美。当温度高于27℃时,两种结构产生的信号相去无几,而当温度小于27℃时,网格结构的信号随着温度逐步下降,甚至能超过实心结构的六倍。

这两项实验皆证明了3D打印机的网格结构大幅度提高了离子皮肤的传感灵敏度。图3.网格结构和实心结构水凝胶在有所不同条件产生的信号对比为了更进一步展现出这种人造皮肤感官肢体运动的能力,作者还将水凝胶相同在手指关节上以检测关节的倾斜。这项实验不仅再度证明了网格结构的水凝胶能产生更高的电信号,还证明了在手指倾斜过程中产生的电信号可以在手指手掌后完全恢复,具备共轭的反复测试的能力。综上,这项研究利用3D打印机技术制作了网格结构的水凝胶,并通过将其制作成电容器的结构,明确提出了保有离子皮肤材料特性并提高传感能力的方法,为未来的嵌入式和软体机器人等研究非常丰富了手段。

图4.人造皮肤对肢体动作的感官本文使用捷诺飞研发的生物3D打印机工作站Bio-Architectreg;WS对所含微结构的水凝胶材料展开打印机。Bio-Architectreg;WS在有所不同轴向皆能构建高精度的3D打印机(X/Y轴1μm,Z轴1μm),需要精彩构建文中亚毫米级别结构的打印机任务。多种可供选择的打印机喷嘴需要针对有所不同打印机材料展开温度控制,温控范围覆盖面积-25℃-260℃,保证打印机材料以合适的相态展开打印机,减少如文中所列出的高分子水凝胶等材料的吸管可玩性。

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