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Publicação
TOWARDS SOFT ROBOTICS: 3D PRINTED HYDROGELS WITH PHOTO-THERMAL ACTUATION
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Resumo(s)
Conventional robotics are based on rigid materials, such as stiff plastics, composites, metals, and ceramics. This makes them resilient and efficient at handling high loads and repetitive tasks. However, these robots still struggle with autonomy, as most need to be connected to a power supply. This either makes them static or coupled to a heavy battery, which is not favorable for locomotion. Thus a new field of robotics emerged, one that took inspiration from nature. To achieve this, the hard matter was substituted for soft matter, and by mimicking simple living organisms, i.e. plants and gastropods, the new soft robots could move, grasp and sense. Nevertheless, there are still challenges to overcome. Actuation is still very limited and slow, which makes moving inefficient. This work aims to study possible ways to create soft robots able to move vertically, either by swimming or jumping, by light actuation. To achieve the movement PNIPAM-based hydrogels were embedded with gold nanostars to function as photo-thermal converters. PNIPAM is known for its rapid thermal response, which results in the rapid expulsion of water for temperatures above its lowest critical solubility temperature. Together with 3D printing, this property can be exploited to create hydrogels capable of bending and relaxing. If done in quick succession, it could translate into vertical movement. 3D printed structures resulted in soft actuators capable of going from a flat initial state to a 400° curvature, with a thermal stimulus of 44 °C. With light stimulation, the gold nanostar-embedded hydrogels were able to raise their temperature 3.6 °C per min. In an aqueous environment, a 2 °C rise and a curvature of 26° were obtained after 2 min of light stimulation. It is possible to conclude that the heat generated by the gold nanostars is not sufficient to actuate the soft robots in an aqueous environment due to the heat dissipating into the water.
A robótica convencional está fundamentada em materiais rígidos, como plásticos, compósitos, metais e cerâ-micas. O que resulta em robôs resilientes e eficazes para manuseio de cargas pesadas e a realização de tarefas repetitivas. Contudo, estes robôs têm a desvantagem de falta autonomia, pois a maioria precisa de estar conec-tada a uma fonte de alimentação, o que os torna estáticos, ou acoplados a uma bateria pesada, não favorecendo a sua locomoção. Assim, criou-se um campo na robótica inspirado pela natureza, substituindo a matéria dura por matéria mole. Imitando organismos simples, como plantas e gastrópodes, os novos soft robots foram ca-pazes de se deslocar, agarrar e sentir. Apesar disso, ainda há desafios a serem superados. A atuação ainda é muito limitada e lenta, o que torna a movimentação ineficiente. Este trabalho visa estudar possíveis formas de tornar soft robots capazes de se mover verticalmente, seja nadando ou saltando, por acionamento luminoso. Este projeto propõe a incorporação de nanoestrelas de ouro que funcionarão como conversores fototérmicos em hidrogéis à base de PNIPAM, o qual possui uma rápida resposta térmica e para temperaturas acima de sua temperatura crítica de solubilidade inferior resulta numa rápida expulsão de água do seu interior. Esta propri-edade, juntamente com impressão 3D, pode ser explorada para criar hidrogéis capazes de dobrar e relaxar, que em rápida sucessão, poderá traduzir-se em movimento vertical. Os resultados mostram que as estruturas 3D foram capazes de passar de um estado inicial plano para uma curvatura de 400°, com estímulo térmico de 44°C. Com estimulação luminosa, os hidrogéis incorporados com nanoestrelas de ouro foram capazes de au-mentar a sua temperatura 3,6 ° C por minuto. Em meio aquoso, resultou num aumento de 2°C e numa curvatura de 26°, que foi obtida após 2 min de estimulação luminosa, sem alteração mesmo após 10 min. É possível concluir que o calor gerado pelas nanoestrelas de ouro não é suficiente para acionar os soft robots num ambi-ente aquoso devido à dissipação do calor na água.
A robótica convencional está fundamentada em materiais rígidos, como plásticos, compósitos, metais e cerâ-micas. O que resulta em robôs resilientes e eficazes para manuseio de cargas pesadas e a realização de tarefas repetitivas. Contudo, estes robôs têm a desvantagem de falta autonomia, pois a maioria precisa de estar conec-tada a uma fonte de alimentação, o que os torna estáticos, ou acoplados a uma bateria pesada, não favorecendo a sua locomoção. Assim, criou-se um campo na robótica inspirado pela natureza, substituindo a matéria dura por matéria mole. Imitando organismos simples, como plantas e gastrópodes, os novos soft robots foram ca-pazes de se deslocar, agarrar e sentir. Apesar disso, ainda há desafios a serem superados. A atuação ainda é muito limitada e lenta, o que torna a movimentação ineficiente. Este trabalho visa estudar possíveis formas de tornar soft robots capazes de se mover verticalmente, seja nadando ou saltando, por acionamento luminoso. Este projeto propõe a incorporação de nanoestrelas de ouro que funcionarão como conversores fototérmicos em hidrogéis à base de PNIPAM, o qual possui uma rápida resposta térmica e para temperaturas acima de sua temperatura crítica de solubilidade inferior resulta numa rápida expulsão de água do seu interior. Esta propri-edade, juntamente com impressão 3D, pode ser explorada para criar hidrogéis capazes de dobrar e relaxar, que em rápida sucessão, poderá traduzir-se em movimento vertical. Os resultados mostram que as estruturas 3D foram capazes de passar de um estado inicial plano para uma curvatura de 400°, com estímulo térmico de 44°C. Com estimulação luminosa, os hidrogéis incorporados com nanoestrelas de ouro foram capazes de au-mentar a sua temperatura 3,6 ° C por minuto. Em meio aquoso, resultou num aumento de 2°C e numa curvatura de 26°, que foi obtida após 2 min de estimulação luminosa, sem alteração mesmo após 10 min. É possível concluir que o calor gerado pelas nanoestrelas de ouro não é suficiente para acionar os soft robots num ambi-ente aquoso devido à dissipação do calor na água.
Descrição
Palavras-chave
Soft robotics hydrogels PNIPAM gold nanostars 3D printed light-responsive