水稻研究可以推进软机器人的制造和设计

软体机器人使用弹性体等柔韧材料与人体和其他具有挑战性的脆弱物体和环境进行安全交互。莱斯大学的一组研究人员开发了一种分析模型，可以预测铂催化有机硅弹性体的固化时间随温度的变化。该模型有助于减少能源浪费并提高基于弹性体的组件制造的吞吐量。

“在我们的研究中，我们将弹性体视为一类能够实现软机器人技术的材料，该领域在过去十年中增长迅猛，”莱斯机械工程助理教授丹尼尔·普雷斯顿（Daniel Preston）说。“虽然对环氧树脂等材料甚至几种特定的有机硅弹性体进行了一些相关研究，但到目前为止，还没有对人们实际用于制造软机器人的许多市售有机硅弹性体的固化反应进行详细的定量说明。我们的工作填补了这一空白。

Preston和他的团队研究的铂催化有机硅弹性体通常以两种粘弹性液体的形式开始，当它们混合在一起时，随着时间的推移会变成橡胶状固体。作为液体混合物，它们可以倒入复杂的模具中，从而用于铸造复杂的部件。固化过程可以在室温下进行，但也可以使用加热来加速。

涉及弹性体的制造过程通常依赖于对温度和持续时间的经验估计来控制固化过程。然而，这种粗略的方法使得很难预测弹性体在不同固化条件下的表现。拥有一个定量框架来准确确定温度如何影响固化速度，将使制造商能够最大限度地提高效率并减少浪费。

“以前，使用现有模型来预测弹性体在不同温度条件下的固化行为是一项更具挑战性的任务，”普雷斯顿实验室的研究生Te Faye Yap说，他是该研究的主要作者。“在能源消耗和材料方面，迫切需要提高制造过程的效率并减少浪费。”

为了了解温度如何影响固化过程，研究人员使用流变仪⎯（一种测量液体和软固体机械性能的仪器）来分析六种市售铂催化弹性体的固化行为。

“我们能够开发一个基于所谓的阿伦尼乌斯关系的模型，该模型将这种固化反应速率与弹性体固化的温度相关联，”Preston说。“现在，我们对温度如何影响固化速度有了很好的定量理解。”

阿伦尼乌斯框架是一个将化学反应速率与温度联系起来的公式，已被用于半导体加工和病毒灭活等各种领域。Preston和他的团队在他们之前的一些工作中使用了该框架，并发现它也适用于先前研究中描述的环氧树脂等材料的固化反应。在这项研究中，研究人员使用Arrhenius框架以及流变学数据来开发一个可以直接影响制造实践的分析模型。

“在这项工作中，我们真正探索了固化反应与弹性体温度的关系，但我们也深入研究了弹性体在高温下固化时的机械性能，旨在实现更高的产量和固化速度，”Preston说。

研究人员对在室温和高温下固化的弹性体样品进行了机械测试，以观察加热处理是否会影响材料的机械性能。

“我们发现，与在室温下固化的组件相比，将弹性体暴露在70摄氏度（158华氏度）下不会改变材料的拉伸和压缩性能，”Yap说。“此外，为了证明在制造设备时使用加速固化，我们在高温和室温条件下制造了柔软的气动夹具，我们观察到夹具在加压时的性能没有差异。”

虽然温度似乎对弹性体承受机械应力的能力没有影响，但研究人员发现它确实影响了组件之间的附着力。

“假设我们已经治愈了几个不同的组件，这些组件需要组装成一个完整的软机器人系统，”普雷斯顿说。“当我们试图将这些组件相互粘附时，会对附着力或将它们粘在一起的能力产生影响。在这种情况下，这在很大程度上受到我们尝试粘合之前发生的固化程度的影响。

该研究促进了对如何利用温度来操纵涉及弹性体的制造过程的科学理解，这可以为新的或改进的应用开辟软机器人设计空间。一个关键的兴趣领域是生物医学行业。

“手术机器人通常受益于顺从或柔软的性质，因为在人体内操作意味着您希望将组织或器官被刺穿或瘀伤的风险降至最低，”普雷斯顿说。“因此，现在在人体内部运行的许多机器人正在转向更柔软的架构，并从中受益。一些研究人员也开始研究使用软机器人系统来帮助重新定位长时间被限制在床上的患者，以避免对某些区域施加压力。

软机器人的其他潜在用途领域包括农业（例如采摘易碎或容易瘀伤的水果或蔬菜）、救灾（在受影响地区进行搜索和救援行动，这些地区访问有限或难以进入）和研究（收集或处理样本）。

“这项研究提供了一个框架，可以扩大热固化弹性体制造的设计空间，以创建具有高弹性的复杂结构，可用于开发医疗设备，减震器和软机器人，”Yap说。

有机硅弹性体的独特性能 ⎯ 生物相容性、柔韧性、耐热性、减震性、绝缘性等 ⎯ 将继续成为一系列行业的资产，目前的研究可以帮助扩大和改进其使用范围，超越当前的能力。

该研究得到了美国国家科学基金会（2144809），莱斯研究员学院，美国宇航局（80NSSC21K1276），国家GEM联盟和美国能源部的支持，通过与能源效率和可再生能源科学，技术和政策计划的任命由橡树岭科学与教育研究所（ORISE）管理，由橡树岭联合大学（ORAU）管理，合同编号为DE-SC0014664。本新闻稿中表达的所有观点均为作者的观点，并不一定反映NSF、NASA、国家GEM联盟、DOE、ORAU或ORISE的政策和观点。

同行评议论文：

“铂催化弹性体的热加速固化” |Cell Reports 物理科学 |DOI： 10.1016/j.xcrp.2024.101849

作者：Te Faye Yap、Anoop Rajappan、Marquise Bell、Rawand Rasheed、Colter Decker 和 Daniel Preston

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101849

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图片说明：普雷斯顿实验室的莱斯大学博士生、发表在《细胞报告物理科学》上的一项研究的主要作者Te Faye Yap展示了在室温（蓝色）和高温（红色）加压时固化的夹具的性能。（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）

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图片说明：Te Faye Yap（左）和Daniel Preston（摄影：Jeff Fitlow/Rice University）

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图片说明：丹尼尔·普雷斯顿（左）和叶费耶（摄影：Jeff Fitlow/莱斯大学）