卡内基梅隆大学工程学院的研究人员发明了一种开源的、商用的纤维挤出机，以促进未来水凝胶和软机器人的研究。
顾名思义，水凝胶一开始是单体的液体形态。这种粘稠液体可以由合成或天然材料制成，从聚酯到海藻酸钠，可以用作3D打印的墨水。墨水首先被装入注射器，然后作为细丝泵入针中，在3D打印后凝固形成多维结构，就像果冻首先作为液体混合，然后变成柔软可弯曲的甜点一样。当水凝胶被放置在合适的环境中，液体中的单体交联形成聚合物，这使水凝胶形成形状，并使其锁住水。
你可能会想，这些柔软的材料也很脆弱——这是使用水凝胶用于机器人应用的一个缺点。为了解决这个问题，让水凝胶在更多的任务和恶劣的环境中使用，机械工程博士生孙文环(音)在维多利亚·韦伯斯特-伍德(Victoria Webster-Wood)和亚当·范伯格(Adam Feinberg)的共同指导下，设计了一种连续纤维挤出机，这种设备可以加强水凝胶，使它们在加载时不容易破裂或变形。Feinberg是生物医学工程和材料科学与工程的教授，此前他发明了3D打印机，纤维挤出机首次在其上进行测试。
3D打印设备对于使纤维挤出机增强水凝胶至关重要。图片来源:生物混合和有机机器人集团
在打印过程中将纤维嵌入水凝胶中，可以增强它们的机械性能，使它们不那么脆弱。创造一个开源的，商业上可用的纤维挤出机将有利于未来水凝胶的研究。该团队的挤出机设计不仅相对便宜(约53美元)，而且与许多家庭3D打印设备兼容，并已在嵌入合成纤维和天然纤维(包括丝和胶原蛋白)的水凝胶中成功测试。该团队的论文发表在《HardwareX》上，几乎为其他想要进行光纤嵌入水凝胶3D打印实验的研究人员提供了一个公式。
“这篇论文描述了我们如何构建纤维打印中心的整个过程，这样其他人就可以参考我们的工作，然后在没有额外指导的情况下构建自己的工作，”孙说到他们的研究如何服务于机器人社区。
当水凝胶保持其结构完整性时，它们可以应用于更广泛的情况。它们独特的特性，如灵活性和柔软性，使它们成为药物输送和组织工程的理想工具，但身体的坚固性为软机器人领域更广泛的任务打开了大门。由于连续纤维挤出机与胶原蛋白和藻酸盐等天然材料效果良好，增强水凝胶有望成为柔性机器人的适应性材料，而且它们也是一种环保材料。
“我们对如何在机器人中使用生物可降解材料非常感兴趣，”机械工程助理教授、生物混合和有机机器人小组创始人韦伯斯特-伍德说。“这些基于植物的水凝胶是一个非常有趣的方向，因为我们基本上可以种植机器人的材料，并使它们可再生。”
