Желатин, глицерин и щепотка соли: самовосстанавливающийся гидрогель / Хабр
Терминатор, Оптимус Прайм, C-3PO, Робокоп и многие другие киношные роботы наделены самыми разнообразными функциями. Но между ними есть нечто общее — их нельзя назвать мягкими. И речь идет не о чертах характера, если таковые могут быть у робота, а об их оболочке. Тем не менее в последние годы все больший интерес вызывает именно мягкая робототехника, которая может найти свое применение не только в автономных машинах, но и в тактильных интерфейсах или носимой электронике. Проблема столь футуристичной разработки в том, что подавляющее большинство ее представителей куда менее прочные и потребляют куда больше энергии, чем металлические конкуренты. Ученые из Кембриджского университета (Великобритания) нашли метод решения проблемы прочности мягких роботов, создав новый тип материала, который способен регенерировать при комнатной температуре. Из чего сделан чудо-материал, насколько быстро робот, созданный из него, может сам себя отремонтировать, и где именно может быть применена данная разработка? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Поехали.
Основа исследования
В основе мягкой робототехники лежат мягкие датчики, которые также могут использоваться и в системах мониторинга здоровья человека, и в датчиках движения, и т.д. Как правило, эти мягкие датчики разрабатываются с использованием проводящих композитов эластомеров, проводящих жидкостей и растяжимых оптических волокон.
Интересной альтернативой являются гидрогели, так как они обладают высокой растяжимостью, прозрачностью, биосовместимостью и ионной проводимостью. При этом физические свойства таких материалов легко настроить под определенное применение. Основной проблемой гидрогелей является их непродолжительная долговечность и малая прочность, вызванная высоким содержанием воды и часто органической природой других компонентов.
Кроме того, поскольку изменение формы незначительно влияет на миграцию подвижных ионов в сети гидрогелей, удельное электрическое сопротивление этих гидрогелей остается постоянным, что делает их чувствительными к изменениям как длины, так и площади.
Витрификация* — переход жидкости при понижении температуры в стеклообразное состояние.
Дополнительными полезными свойствами являются биосовместимость, самовосстановление, низкая стоимость, простота изготовления и низкое потребление энергии.
На данный момент существует несколько методик изготовления сенсорных гидрогелей, среди которых особое внимание уделяется методом аддитивного производства (т.е. 3D-печати). Однако они требуют дорогостоящего оборудования.
Решить все вышеперечисленные проблемы может желатин, так как гидрогели на основе желатина стоят дешево, легко экструдируются, а также являются биосовместимыми благодаря нетоксичной природе желатина. Кроме того такой материал может позволить реализовать самовосстановление.
При охлаждении водный желатин претерпевает золь-гель переход* при ~40 °C, во время которого его спиральные цепи превращаются в правосторонние тройные спирали с образованием мягкого геля, стабилизированного водородными связями.
Золь-гель переход* — процесс превращения золя в гель, протекающий при увеличении концентрации частиц дисперсной фазы в золе или под влиянием иных внешних воздействий (к примеру, охлаждения).
Этот гигроскопичный материал подвергается адсорбции и десорбции в соответствии с относительной влажностью окружающей среды, хотя в течение более длительных периодов времени гидрогель застекловывается, становясь сухим и ломким при исключении водного растворителя.
Физические связи, образующиеся во время гелеобразования, являются термообратимыми, но дополнительные ферментативные связи можно индуцировать с помощью трансглютаминазы для облегчения образования пептидных связей. Для дальнейшего улучшения механических свойств геля и противодействия эффекту витрификации в качестве пластификатора может быть использован глицерин.
При использовании в сочетании с желатиновыми гидрогелями глицерин не влияет на механизм гелеобразования, но улучшает эластичность, гибкость и чувствительность к влаге за счет уменьшения взаимодействия между соседними желатиновыми цепями.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые использовали гидрогель Ge:Gl:H2O:CA с пропорциями компонентов 1:1.5:2.5:0.2, что является оптимальным вариантом для печати. Дополнительно были испытаны четыре добавки, которые не только снижают базовое сопротивление, но и сохраняют механические свойства материала, биоразлагаемость и относительную чувствительность. Было обнаружено, что хлорид натрия дает превосходные результаты, создавая сенсорный гидрогель, способный к деформации 454%, самовосстановлению при комнатной температуре и коэффициенту линейной корреляции R2 = 0.
9971 при деформации 300% (изображение №1).
Изображение №1
Созданный гидрогель остается функциональным в течение нескольких месяцев без высыхания, полностью состоит из широкодоступных, безопасных материалов, и демонстрирует чрезвычайно линейную чувствительность к большим деформациям.
Результаты исследования
Первым делом ученые сравнили четыре варианта добавок, которые должны были снизить сопротивление гидрогеля (2c).
Изображение №2
При оценке способности снижать базовое сопротивление гидрогеля ионная добавка NaCl превзошла другие варианты в обоих временных масштабах.
Углеродная проводящая краска (CCP от carbon conductive paint), имеющая высокое содержание воды, мало повлияла на сопротивление при таком соотношении. Предыдущие исследования продемонстрировали способность CCP улучшать проводимость гидрогеля при более высоких соотношениях, хотя это происходит за счет витрификации материала в условиях низкой влажности, что для данного случая является неприемлемым.
Таблица №1
В таблице выше показаны измеренные коэффициенты тензочувствительности* (GF от gauge factor) всех четырех добавок в одинаковой концентрации при приложенной деформации e = 30%.
Коэффициент тензочувствительности (GF)* или коэффициент деформации тензорезистора — отношение относительного изменения электрического сопротивления ® к механической деформации (ε).
Самый высокий GF, указывающий на наибольшую относительную реакцию, показал чистый гидрогель Ge/Gl/H2O/CA. Таким образом, добавки не требуются для обеспечения механизма измерения деформации, а скорее для поддержания чувствительности чистой смеси при одновременном снижении ее базового сопротивления для повышения энергоэффективности. При массовом соотношении 1:0.02 NaCl делает это наиболее успешно и является лучшим вариантом добавки, повышающей проводимость.
Образцы, содержащие наиболее чистые смеси воды и CCP, показали наибольший прирост сопротивления за пятидневный период.
Этот результат свидетельствует о том, что основным механизмом увеличения сопротивления является десорбция воды из образцов по мере того, как они входят в равновесие с окружающей средой.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые сравнили относительные массы четырех образцов одинакового размера в течение определенного периода времени (2d). Образцы создавались из одной и той же партии желатина, экструдировались одновременно и взвешивались в течение 7 дней. Чистый состав сравнивали с вариантом, где был добавки в виде соли, CCP и без моногидрата лимонной кислоты.
Как и ожидалось, относительная масса CCP образца резко уменьшилась, достигнув 39% от исходного значения через ~40 часов после экструзии. Во всех образцах наблюдаются небольшие колебания вокруг равновесного состояния при изменении влажности окружающей среды. Хотя образец с солью терял больше воды, чем чистый образец, он показал гораздо меньшее увеличение относительного сопротивления. Это говорит о том, что механизм ионной проводимости в солевом образце менее подвержен десорбции, чем в чистом.
Поскольку было необходимо, чтоб напечатанные датчики работали как можно более однородно с течением времени, состав Ge/Gl/H2O/CA/NaCl был лучшим выбором для 3D-печати.
После окончательного решения насчет добавки в виде NaCl необходимо было проверить ее влияние на свойства гидрогеля при механической нагрузке.
На 1c показана резистивная реакция на переменный ток образца, содержащего 1/50 NaCl, при деформации 300%, приложенной с постоянной скоростью 5 мм/с. Линейность отклика на большую приложенную деформацию была очень высока и составила R2 = 0.9971. Этот результат объясняется нечувствительностью материала к давлению, что подразумевает нечувствительность к изменениям площади, вызванным деформацией.
На 2e и 2f показаны впечатляющие механические свойства чистого образца (без добавок) спустя 7 дней. Поведение образца линейно до самого момента разрушения при > 400% и > 500 кПа нагрузки. Десорбционное поведение (2d) оказывает явное влияние на прочность материала: образец, которому дали дополнительно еще 6 дней для достижения равновесия с окружающей средой, выдерживает в 37 раз большее напряжение, чем образец через 1 день после начала опыта.
Для образцов, созданных и протестированных при высокой влажности, добавление соли, мало повлияет на механическое поведение вплоть до последних моментов перед разрушением.
Изображение №3
На 3a показаны электрические свойства материала в течение 6 дней при 1 кГц и различных механических воздействиях. Ученые отмечают, что для датчика линейной деформации желательны низкая чувствительность к давлению и высокая чувствительность к деформации.
Относительные отклики оказались удивительно постоянны (GF ≈ 1.
5) как в рамках состава, так и в рамках временных изменений, учитывая большие изменения исходного сопротивления в течение тестового периода. Таким образом, NaCl можно использовать для регулировки базового сопротивления образца, практически не влияя на его чувствительность, что позволяет изготавливать сложные комбинации датчиков. Даже при различном содержании соли постоянный коэффициент деформации приводит к тому, что сопротивление датчика всегда изменяется в одной и той же пропорции к заданной деформации, так что базовые сопротивления отдельных компонентов в комбинации могут быть настроены под определенные параметры.
Затем ученые приступили к оценке влияния условий окружающей среды на свойства разработанного гидрогеля.
Опыты показали, что электрические свойства гидрогеля сильно зависят от температуры и влажности. Хоть эта зависимость и не идеальна для устройств измерения деформации, она позволяет создавать сенсорные системы, которые могут оценивать несколько физических свойств, используя один и тот же принцип измерения.
Чтобы продемонстрировать это, ученые использовали три желатин-глицериновых гидрогеля с добавлением NaCl в соотношении 0, 1/50 и 1/100. Сопротивление этих образцов измерялось в течение 19 дней при постоянном мониторинге относительной влажности воздуха и температуры.
После 70-часового почти линейного начального периода, в течение которого гидрогель достигает равновесия с окружающей средой, значительное увеличение относительной влажности соответствует последующему снижению сопротивления и наоборот. Это равновесие может поддерживаться в течение длительных периодов времени. На 3f показано поведение материала и реакция гидрогелевого образца через 6 месяцев после экструзии. Спустя столь продолжительное время сохранилась гибкость гидрогеля, а тест на деформацию (100 %) показал результат, аналогичный исходному до начала теста.
Поскольку каждый из образцов дает уникальную реакцию на условия окружающей среды, разделить и смоделировать их зависимости становится намного проще.
На 3b показано, как можно использовать данные датчика для оценки параметров окружающей среды и оценки пассивного отклика на окружающую среду других датчиков.
Еще одним важным свойством, которым обладает гидрогель Ge/Gl/H2O/CA/NaCl, является самовосстановление. В ходе проверки этой удивительной способности несколько одинаковых прямоугольных образцов разрезались скальпелем пополам спустя разное время после их экструзии (3c). Затем полученные половинки прикладывали друг к другу при комнатной температуре и проверяли состояние повреждения спустя 48 часов.
Эффект самовосстановления при комнатной температуре был максимальным, когда разрез делался в период десорбции (2e): при испытаниях образцы могут испытывать до 124% приложенной деформации до начала разрушения в месте разреза. Когда этот же тест проводился более чем через 2 дня после экструзии, достигалось только 28% деформации. Это говорит о том, что наличие свободной воды жизненно важно для механизма самовосстановления.
Действительно, через 2 дня регидратированные образцы (получившие избыток свободной воды за 48 часов до испытания) восстанавливаются после более высоких деформаций (∼80%), чем образцы при комнатной температуре, которые достигли равновесия с окружающей средой.
Состав Ge/Gl/H2O/CA обеспечивает большое количество участков для водородных связей, обеспечивая возможный механизм заживления в образцах при комнатной температуре. А использование NaCl и моногидрата лимонной кислоты может усилить этот процесс. Кроме того, лимонная кислота снижает pH гидрогеля ниже изоэлектрической точки желатина, так что электростатические взаимодействия могут дополнительно способствовать самовосстановлению.
Несмотря на то, что образцы на 3c и 3d все же разрушаются в месте первоначального разреза, восстановление деформации > 100% при комнатной температуре все еще может быть полезно для широкого спектра применений. На 3e продемонстрировано, как мягкий сенсорный канал может быть восстановлен всего за один час во время сильного начального периода самовосстановления.
Изображение №4
В качестве вариантов применения разработанного гидрогеля ученые создали два типа простых устройств: гидрогель, нанесенный на перчатку, что позволяет мониторить суставы кисти человека; и самовосстанавливающийся сенсорный пневматический привод, который остается стабильным и функциональным в течение нескольких месяцев.
На 4a показан весьма простой и быстрый процесс изготовления датчиков на перчатке. Благодаря отличным адгезионным свойствам гидрогеля нет необходимости использовать дополнительные средства для его прочного присоединения к материалу перчатки. Проводящая нить с серебряным покрытием использовалась для подключения каждого из пяти датчиков к делителю потенциала, который измерялся на частоте 10 кГц.
Демонстрация разработанного гидрогеля.
На 4c показан мягкий пневматический привод, полностью изготовленный из гидрогеля. Поскольку вся конструкция является проводящей и чувствительной к деформации, внутреннее состояние привода можно легко измерить, проверив любые два места на приводе.
Такие устройства привлекательны для мягких роботов из-за их биосовместимости и возможности вторичной переработки, отмечают ученые.
Тестирование самовосстановления спустя 60 дней после создания привода показали высокую стабильность материала. При комнатной температуре устройство самовосстановилось спустя всего час, однако в таких условиях оно не может поддерживать герметичность. Более надежное уплотнение можно получить, нагрев гидрогель в месте повреждения, хотя это несколько изменяет физические свойства привода. Также было установлено, что привод сохранял свои свойства в течение 5 месяцев.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые создали новый тип материала, взяв за основу гидрогель. Использование желатина, глицерина и NaCl, т.е. обычной соли, позволило создать материал, отличающийся высокой проводимостью, стабильностью по отношению к воздействию окружающей среды, стойкостью к деформациям и даже способностью к самовосстановлению.
Важно и то, что этот материал можно использовать для 3D-печати, а его стоимость достаточно низка. Кроме того, в отличие от уже существующих аналогов, разработанный гидрогель куда более долговечный и создан из вполне безопасных компонентов.
Данная разработка может быть применена как в медицине для создания различных диагностических, мониторинговых и протезирующих устройств, так и в робототехнике. В дальнейшем авторы разработки намерены провести еще немало тестов, дабы усовершенствовать свое творение. Однако уже на данном этапе оно показывает огромный потенциал и широкий спектр применения.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас:Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Желатин, глицерин и щепотка соли: самовосстанавливающийся гидрогель
Терминатор, Оптимус Прайм, C-3PO, Робокоп и многие другие киношные роботы наделены самыми разнообразными функциями. Но между ними есть нечто общее — их нельзя назвать мягкими. И речь идет не о чертах характера, если таковые могут быть у робота, а об их оболочке. Тем не менее в последние годы все больший интерес вызывает именно мягкая робототехника, которая может найти свое применение не только в автономных машинах, но и в тактильных интерфейсах или носимой электронике.
Проблема столь футуристичной разработки в том, что подавляющее большинство ее представителей куда менее прочные и потребляют куда больше энергии, чем металлические конкуренты. Ученые из Кембриджского университета (Великобритания) нашли метод решения проблемы прочности мягких роботов, создав новый тип материала, который способен регенерировать при комнатной температуре. Из чего сделан чудо-материал, насколько быстро робот, созданный из него, может сам себя отремонтировать, и где именно может быть применена данная разработка? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
В основе мягкой робототехники лежат мягкие датчики, которые также могут использоваться и в системах мониторинга здоровья человека, и в датчиках движения, и т.д. Как правило, эти мягкие датчики разрабатываются с использованием проводящих композитов эластомеров, проводящих жидкостей и растяжимых оптических волокон.
Интересной альтернативой являются гидрогели, так как они обладают высокой растяжимостью, прозрачностью, биосовместимостью и ионной проводимостью.
При этом физические свойства таких материалов легко настроить под определенное применение. Основной проблемой гидрогелей является их непродолжительная долговечность и малая прочность, вызванная высоким содержанием воды и часто органической природой других компонентов.
Кроме того, поскольку изменение формы незначительно влияет на миграцию подвижных ионов в сети гидрогелей, удельное электрическое сопротивление этих гидрогелей остается постоянным, что делает их чувствительными к изменениям как длины, так и площади. Эта особенность усложняет их применение для измерения деформации, поскольку приложенные напряжения в нескольких направлениях не могут быть отделены друг от друга. Ученые отмечают, чтобы тензометрические датчики на основе гидрогеля были действительно эффективными, необходимо уменьшить эффекты витрификации*, возникающие из-за высыхания гидрогеля, повысить их устойчивость к повреждениям и получить возможность настраивать реакцию на растяжение в желаемом направлении.
Витрификация* — переход жидкости при понижении температуры в стеклообразное состояние.
Дополнительными полезными свойствами являются биосовместимость, самовосстановление, низкая стоимость, простота изготовления и низкое потребление энергии.
На данный момент существует несколько методик изготовления сенсорных гидрогелей, среди которых особое внимание уделяется методом аддитивного производства (т.е. 3D-печати). Однако они требуют дорогостоящего оборудования. Более дешевый вариант печати методом напыления требуют экструдируемых гидрогелей. В таком случае необходимо крайне точно настроить свойства материала и время гелеобразования.
Решить все вышеперечисленные проблемы может желатин, так как гидрогели на основе желатина стоят дешево, легко экструдируются, а также являются биосовместимыми благодаря нетоксичной природе желатина. Кроме того такой материал может позволить реализовать самовосстановление.
При охлаждении водный желатин претерпевает золь-гель переход* при ~40 °C, во время которого его спиральные цепи превращаются в правосторонние тройные спирали с образованием мягкого геля, стабилизированного водородными связями.
Золь-гель переход* — процесс превращения золя в гель, протекающий при увеличении концентрации частиц дисперсной фазы в золе или под влиянием иных внешних воздействий (к примеру, охлаждения).
Этот гигроскопичный материал подвергается адсорбции и десорбции в соответствии с относительной влажностью окружающей среды, хотя в течение более длительных периодов времени гидрогель застекловывается, становясь сухим и ломким при исключении водного растворителя.
Физические связи, образующиеся во время гелеобразования, являются термообратимыми, но дополнительные ферментативные связи можно индуцировать с помощью трансглютаминазы для облегчения образования пептидных связей. Для дальнейшего улучшения механических свойств геля и противодействия эффекту витрификации в качестве пластификатора может быть использован глицерин.
При использовании в сочетании с желатиновыми гидрогелями глицерин не влияет на механизм гелеобразования, но улучшает эластичность, гибкость и чувствительность к влаге за счет уменьшения взаимодействия между соседними желатиновыми цепями.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые использовали гидрогель Ge: Gl: h3O: CA с пропорциями компонентов 1:1.5:2.5:0.2, что является оптимальным вариантом для печати. Дополнительно были испытаны четыре добавки, которые не только снижают базовое сопротивление, но и сохраняют механические свойства материала, биоразлагаемость и относительную чувствительность. Было обнаружено, что хлорид натрия дает превосходные результаты, создавая сенсорный гидрогель, способный к деформации 454%, самовосстановлению при комнатной температуре и коэффициенту линейной корреляции R2 = 0.9971 при деформации 300% (изображение №1).
Изображение №1
Созданный гидрогель остается функциональным в течение нескольких месяцев без высыхания, полностью состоит из широкодоступных, безопасных материалов, и демонстрирует чрезвычайно линейную чувствительность к большим деформациям.
Результаты исследования
Первым делом ученые сравнили четыре варианта добавок, которые должны были снизить сопротивление гидрогеля (2c).
Изображение №2
При оценке способности снижать базовое сопротивление гидрогеля ионная добавка NaCl превзошла другие варианты в обоих временных масштабах.
Углеродная проводящая краска (CCP от carbon conductive paint), имеющая высокое содержание воды, мало повлияла на сопротивление при таком соотношении. Предыдущие исследования продемонстрировали способность CCP улучшать проводимость гидрогеля при более высоких соотношениях, хотя это происходит за счет витрификации материала в условиях низкой влажности, что для данного случая является неприемлемым.
Таблица №1
В таблице выше показаны измеренные коэффициенты тензочувствительности* (GF от gauge factor) всех четырех добавок в одинаковой концентрации при приложенной деформации e = 30%.
Коэффициент тензочувствительности (GF)* или коэффициент деформации тензорезистора — отношение относительного изменения электрического сопротивления ® к механической деформации (ε).
Самый высокий GF, указывающий на наибольшую относительную реакцию, показал чистый гидрогель Ge/Gl/h3O/CA. Таким образом, добавки не требуются для обеспечения механизма измерения деформации, а скорее для поддержания чувствительности чистой смеси при одновременном снижении ее базового сопротивления для повышения энергоэффективности. При массовом соотношении 1:0.02 NaCl делает это наиболее успешно и является лучшим вариантом добавки, повышающей проводимость.
Образцы, содержащие наиболее чистые смеси воды и CCP, показали наибольший прирост сопротивления за пятидневный период. Этот результат свидетельствует о том, что основным механизмом увеличения сопротивления является десорбция воды из образцов по мере того, как они входят в равновесие с окружающей средой.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые сравнили относительные массы четырех образцов одинакового размера в течение определенного периода времени (2d). Образцы создавались из одной и той же партии желатина, экструдировались одновременно и взвешивались в течение 7 дней.
Чистый состав сравнивали с вариантом, где был добавки в виде соли, CCP и без моногидрата лимонной кислоты.
Как и ожидалось, относительная масса CCP образца резко уменьшилась, достигнув 39% от исходного значения через ~40 часов после экструзии. Во всех образцах наблюдаются небольшие колебания вокруг равновесного состояния при изменении влажности окружающей среды. Хотя образец с солью терял больше воды, чем чистый образец, он показал гораздо меньшее увеличение относительного сопротивления. Это говорит о том, что механизм ионной проводимости в солевом образце менее подвержен десорбции, чем в чистом. Удаление лимонной кислоты из смеси оказало большое влияние на равновесную массу, поскольку используемая форма моногидрата увеличивает содержание связанной воды в гидрогеле, а гидроксильная и три карбоксильные группы обеспечивают ряд дополнительных точек для водородных связей.
Поскольку было необходимо, чтоб напечатанные датчики работали как можно более однородно с течением времени, состав Ge/Gl/h3O/CA/NaCl был лучшим выбором для 3D-печати.
После окончательного решения насчет добавки в виде NaCl необходимо было проверить ее влияние на свойства гидрогеля при механической нагрузке.
На 1c показана резистивная реакция на переменный ток образца, содержащего 1/50 NaCl, при деформации 300%, приложенной с постоянной скоростью 5 мм/с. Линейность отклика на большую приложенную деформацию была очень высока и составила R2 = 0.9971. Этот результат объясняется нечувствительностью материала к давлению, что подразумевает нечувствительность к изменениям площади, вызванным деформацией.
На 2e и 2f показаны впечатляющие механические свойства чистого образца (без добавок) спустя 7 дней. Поведение образца линейно до самого момента разрушения при > 400% и > 500 кПа нагрузки. Десорбционное поведение (2d) оказывает явное влияние на прочность материала: образец, которому дали дополнительно еще 6 дней для достижения равновесия с окружающей средой, выдерживает в 37 раз большее напряжение, чем образец через 1 день после начала опыта.
Для образцов, созданных и протестированных при высокой влажности, добавление соли, мало повлияет на механическое поведение вплоть до последних моментов перед разрушением.
Изображение №3
На 3a показаны электрические свойства материала в течение 6 дней при 1 кГц и различных механических воздействиях. Ученые отмечают, что для датчика линейной деформации желательны низкая чувствительность к давлению и высокая чувствительность к деформации.
Относительные отклики оказались удивительно постоянны (GF ≈ 1.5) как в рамках состава, так и в рамках временных изменений, учитывая большие изменения исходного сопротивления в течение тестового периода. Таким образом, NaCl можно использовать для регулировки базового сопротивления образца, практически не влияя на его чувствительность, что позволяет изготавливать сложные комбинации датчиков. Даже при различном содержании соли постоянный коэффициент деформации приводит к тому, что сопротивление датчика всегда изменяется в одной и той же пропорции к заданной деформации, так что базовые сопротивления отдельных компонентов в комбинации могут быть настроены под определенные параметры.
Затем ученые приступили к оценке влияния условий окружающей среды на свойства разработанного гидрогеля.
Опыты показали, что электрические свойства гидрогеля сильно зависят от температуры и влажности. Хоть эта зависимость и не идеальна для устройств измерения деформации, она позволяет создавать сенсорные системы, которые могут оценивать несколько физических свойств, используя один и тот же принцип измерения.
Чтобы продемонстрировать это, ученые использовали три желатин-глицериновых гидрогеля с добавлением NaCl в соотношении 0, 1/50 и 1/100. Сопротивление этих образцов измерялось в течение 19 дней при постоянном мониторинге относительной влажности воздуха и температуры.
После 70-часового почти линейного начального периода, в течение которого гидрогель достигает равновесия с окружающей средой, значительное увеличение относительной влажности соответствует последующему снижению сопротивления и наоборот. Это равновесие может поддерживаться в течение длительных периодов времени.
На 3f показано поведение материала и реакция гидрогелевого образца через 6 месяцев после экструзии. Спустя столь продолжительное время сохранилась гибкость гидрогеля, а тест на деформацию (100%) показал результат, аналогичный исходному до начала теста.
Поскольку каждый из образцов дает уникальную реакцию на условия окружающей среды, разделить и смоделировать их зависимости становится намного проще. На 3b показано, как можно использовать данные датчика для оценки параметров окружающей среды и оценки пассивного отклика на окружающую среду других датчиков.
Еще одним важным свойством, которым обладает гидрогель Ge/Gl/h3O/CA/NaCl, является самовосстановление. В ходе проверки этой удивительной способности несколько одинаковых прямоугольных образцов разрезались скальпелем пополам спустя разное время после их экструзии (3c). Затем полученные половинки прикладывали друг к другу при комнатной температуре и проверяли состояние повреждения спустя 48 часов.
Эффект самовосстановления при комнатной температуре был максимальным, когда разрез делался в период десорбции (2e): при испытаниях образцы могут испытывать до 124% приложенной деформации до начала разрушения в месте разреза.
Когда этот же тест проводился более чем через 2 дня после экструзии, достигалось только 28% деформации. Это говорит о том, что наличие свободной воды жизненно важно для механизма самовосстановления.
Действительно, через 2 дня регидратированные образцы (получившие избыток свободной воды за 48 часов до испытания) восстанавливаются после более высоких деформаций (∼80%), чем образцы при комнатной температуре, которые достигли равновесия с окружающей средой.
Состав Ge/Gl/h3O/CA обеспечивает большое количество участков для водородных связей, обеспечивая возможный механизм заживления в образцах при комнатной температуре. А использование NaCl и моногидрата лимонной кислоты может усилить этот процесс. Кроме того, лимонная кислота снижает pH гидрогеля ниже изоэлектрической точки желатина, так что электростатические взаимодействия могут дополнительно способствовать самовосстановлению.
Несмотря на то, что образцы на 3c и 3d все же разрушаются в месте первоначального разреза, восстановление деформации > 100% при комнатной температуре все еще может быть полезно для широкого спектра применений.
На 3e продемонстрировано, как мягкий сенсорный канал может быть восстановлен всего за один час во время сильного начального периода самовосстановления.
Изображение №4
В качестве вариантов применения разработанного гидрогеля ученые создали два типа простых устройств: гидрогель, нанесенный на перчатку, что позволяет мониторить суставы кисти человека; и самовосстанавливающийся сенсорный пневматический привод, который остается стабильным и функциональным в течение нескольких месяцев.
На 4a показан весьма простой и быстрый процесс изготовления датчиков на перчатке. Благодаря отличным адгезионным свойствам гидрогеля нет необходимости использовать дополнительные средства для его прочного присоединения к материалу перчатки. Проводящая нить с серебряным покрытием использовалась для подключения каждого из пяти датчиков к делителю потенциала, который измерялся на частоте 10 кГц.
Демонстрация разработанного гидрогеля.
На 4c показан мягкий пневматический привод, полностью изготовленный из гидрогеля.
Поскольку вся конструкция является проводящей и чувствительной к деформации, внутреннее состояние привода можно легко измерить, проверив любые два места на приводе. Такие устройства привлекательны для мягких роботов из-за их биосовместимости и возможности вторичной переработки, отмечают ученые.
Тестирование самовосстановления спустя 60 дней после создания привода показали высокую стабильность материала. При комнатной температуре устройство самовосстановилось спустя всего час, однако в таких условиях оно не может поддерживать герметичность. Более надежное уплотнение можно получить, нагрев гидрогель в месте повреждения, хотя это несколько изменяет физические свойства привода. Также было установлено, что привод сохранял свои свойства в течение 5 месяцев.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые создали новый тип материала, взяв за основу гидрогель. Использование желатина, глицерина и NaCl, т.
е. обычной соли, позволило создать материал, отличающийся высокой проводимостью, стабильностью по отношению к воздействию окружающей среды, стойкостью к деформациям и даже способностью к самовосстановлению.
Важно и то, что этот материал можно использовать для 3D-печати, а его стоимость достаточно низка. Кроме того, в отличие от уже существующих аналогов, разработанный гидрогель куда более долговечный и создан из вполне безопасных компонентов.
Данная разработка может быть применена как в медицине для создания различных диагностических, мониторинговых и протезирующих устройств, так и в робототехнике. В дальнейшем авторы разработки намерены провести еще немало тестов, дабы усовершенствовать свое творение. Однако уже на данном этапе оно показывает огромный потенциал и широкий спектр применения.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.
99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
© Habrahabr.ru
3 способа использования глицерина в печати на желатине
Я использую глицерин в своем рецепте желатиновых пластин уже много лет. Это чудесно. Глицерин делает желатиновую пластину прочной и долговечной. И избавляет от необходимости охлаждать тарелку.
Если вы еще не пробовали изготовить пластину из желатина и глицерина для монотипной печати, попробуйте.
Получите БЕСПЛАТНЫЙ рецепт и инструкции ниже.
Сделайте форму для печати из глицерина и желатина прямо сейчас!
Получите БЕСПЛАТНЫЙ рецепт изготовления гелевой печатной формы
Имя
Электронная почта
Кроме того, вы будете еженедельно получать электронное письмо о печати, идеях, советах и курсах.
Присоединяйтесь к нам сегодня и начните веселиться!
Второй способ , который я использую глицерин, заключается в том, что он используется в качестве замедлителя с красками для блочной печати Speedball на водной основе.
Я только что узнал об этом варианте от очень щедрой ученицы в недавнем классе. Я добавляю каплю или две в чернила на своей палитре, и это сохраняет чернила живыми и работоспособными в течение очень долгого времени.
Третий способ использования глицерина в процессе печати на желатине — сохранить листья и папоротники. На изображении выше коричневому листу уже несколько лет, но он по-прежнему гибкий и подходит для печати.
В то время как зеленому листу всего один день, и теперь он сморщенный и хрустящий, и больше не годится для печати.
Глицерин трудно найти. Я часто заглядываю в отдел первой помощи в аптеке. Продавцы иногда тоже не знакомы с этим.
Я нашел глицерин:
- в Walmart
- в CVS и аналогичных аптеках
- AC Мур и Майклз в свадебной секции
Цена может немного варьироваться. Убедитесь, что он содержит от 99 до 100 % глицерина и не смешивается с водой. В наши дни люди используют его для изготовления дезинфицирующего средства для рук, поэтому лучше всего приобрести его в Интернете.
Самое время заказать глицерин и сделать желатиновую тарелку. Я работаю над трехдневным онлайн-классом по созданию желатиновых отпечатков, который мне очень нравится, УПРОЩАЙТЕ — создавайте мощные желатиновые отпечатки. ПРОЧИТАЙТЕ подробности на странице мастер-класса по гравюре.
Последние сообщения
Популярные сообщения
Самообучение — Ткань для монопечати – Нажмите на изображение (16) комбинированные техники (22) рисование жидкой трафаретной печатью (7) рисунки (47) печать на ткани (51) печать на пенопластовых пластинах (27) уход за желатиновыми пластинами (11) печать на желатиновых пластинах (79))подсказки для желатиновых пластин (21)подсказки для печати на желатине (50)мастерская по печати на желатине (35)класс по изготовлению желатиновой печати (6)желатиновые отпечатки на ткани (10)книги ручной работы (18)Haverhill (35)стог сена (14)ICAD (57)вдохновение (117)нанесение меток (10)инструменты для нанесения меток (30)маскирующие трафареты (17)печать смешанной техникой (79)монотипная печать (185)печатные краски (6)рельефные оттиски (32)отпечатки ржавчины (11)трафаретная печать (46) вышитый коллаж (5)инструмент для штамповки (9)трафаретная печать (8)трафареты (41)студия (3)техники (13)термофакс печать (23)инструменты (31)след монопринт (21)Без рубрики (19)7)видео (18)мастерская (25)
Рецепт вспенивающегося желатина Тодда Дебрецени Архив статей журнала
Создание протезов с желатином: Рецепт вспенивающегося желатина Тодда Дебрецени.
Страницы 44, 48, 50.
Желатин в Jell-O позволяет создавать всевозможные формы. Я уверен, что вы все слышали об этом, но что это такое? Что ж, желатин — это структурный белок, называемый коллагеном, обнаруженный у многих животных, включая человека. Фактически, коллаген составляет почти одну треть всего белка в организме человека. Коллаген — это крупная молекула, которая используется нашим организмом для того, чтобы сделать кожу, кости и сухожилия прочными и гибкими, то есть несколько эластичными.
Для производства желатина производители измельчают кости, копыта и соединительные ткани коров, свиней и иногда лошадей и обрабатывают эти части либо сильной кислотой, либо основанием, чтобы разрушить клеточную структуру ткани и высвободить коллаген и другие белки. . После такой обработки полученную смесь уваривают. Во время этого процесса белок коллагена расщепляется, в результате чего образуется желатин.
Из-за своей универсальности желатин является распространенным ингредиентом многих продуктов и может использоваться по-разному.
Желатин используется в пищевых продуктах от жевательной резинки до йогурта. Из него даже делают капсулы для лекарств и витаминов, чтобы их было легче глотать.
К настоящему времени вы, вероятно, задаетесь вопросом: какое, черт возьми, это имеет отношение к специальным эффектам макияжа? Ну, помимо того, что желатин используется в качестве ингредиента в пищевых продуктах и косметике, он также является одним из основных материалов, используемых для создания протезов, наряду с вспененным латексом и силиконом. Аааааа….
Существует ряд формул для изготовления собственного желатина, которые можно найти в Интернете, а также приобрести готовый материал для протезов из желатина у различных отраслевых поставщиков. Описывая желатин, производители ссылаются на налет. Фактор поседения или сила поседения желатина является промышленным стандартом, который измеряет относительную твердость желатина в отвержденном состоянии. Желатин, используемый для создания эффектов макияжа, обычно имеет коэффициент блюма 300, в то время как желатин, который вы можете купить у местного бакалейщика, будет иметь коэффициент блюма где-то между 200 и 250.
Это может подойти для работы, которую вы будете выполнять, но просто имейте в виду, что прочность на разрыв будет не такой высокой, как при использовании желатина с блюмом 300.
Желатин считается гипоаллергенным, то есть не вызывает аллергии и подходит для большинства людей. Это хорошая вещь. Желатин также считается гигроскопичным, что означает, что он имеет тенденцию поглощать влагу из атмосферы. Это и хорошо, и не очень. Хорош тем, что позволяет желатину быть растворимым — разжижаться и растворяться. При добавлении воды частицы желатина набухают и расширяются, фактически поглощая воду в 10 раз больше своего веса (что, в свою очередь, может сделать желатиновые приборы несколько тяжелыми). Не так уж и хорошо в том, что желатиновые приборы могут набухать пропорционально изменению влажности воздуха и сжиматься со временем из-за испарения.
Один из способов свести к минимуму это изменение, вызванное влажностью, — заменить глицерином почти всю воду, используемую в формуле желатинового прибора.
Это очень хорошо для создания различных ран и повреждений — порезов, ожогов, пулевых отверстий, отеков и т. д. Этот желатин можно окрасить флокирующим материалом, пищевым красителем или припудренным гримом и хранить в небольших бутылочках для нагревания до тех пор, пока он не загустеет. желатин разжижается. Это похоже на ряд наборов для эффектов желатина, которые доступны в продаже. Только будьте очень осторожны, чтобы не перегреть желатин. Поскольку это органический материал, он может быть серьезно поврежден или испорчен при слишком сильном (или слишком частом) нагревании. И вы не хотите обжечь своего актера, применяя слишком теплый желатин. Всегда проверяйте температуру перед нанесением!
Глицерин также гигроскопичен, поэтому в некоторых формулах часть глицерина заменяется сорбитом, который получают из кукурузного сиропа и менее подвержен изменениям влажности, чем глицерин. Сорбитол также повышает структурную целостность желатиновых смесей, делая их более устойчивыми к разрыву, что имеет решающее значение для протезирования.
(Я встречал рецепты, в которых для той же цели добавлялся клей ПВА с хорошим успехом). …). Вам придется поэкспериментировать с оксидом цинка, потому что он повлияет на прозрачность готового желатинового прибора. Порошок оксида цинка является предпочтительной формой, но его может быть трудно найти. Однако мазь с оксидом цинка будет работать. Независимо от того, какую формулу вы используете и называете своей, храните готовые приборы в герметичных пластиковых пакетах, вдали от света и в прохладном месте. Они прослужат гораздо дольше.
Для изготовления протезов желатин, который вы используете, должен быть легким и мягким – пенистым. Итак, рецепт, который я собираюсь вам дать, касается вспенивающегося желатина. Полученный желатин не будет таким легким и мягким, как вспененный латекс, но он будет значительно легче и губчатее, чем твердый желатиновый прибор, и определенно легче, чем силиконовый гель.
Вот основная формула желатина. Вы заметите, что в этом рецепте нет сорбита, белого клея или оксида цинка.
Поэкспериментируйте. Художники по гриму должны быть наполовину сумасшедшими химиками.
Примечание: Вы можете удвоить, утроить… учетверить эту формулу. Очень маленькие партии не так легко смешивать, как средние партии, которые описаны здесь. Но, как только вы смешали среднюю партию, вы можете взять небольшие количества и использовать их в маленьких формочках.
Ингредиенты:
160 грамм (1/4 стакана) Глицерин
40 грамм (1/8 стакана) Желатин
1 грамм (1 чайная ложка) Быстрорастворимые дрожжи
3,5 грамма (3,5 чайной ложки) Вода
Пигмент на ваш выбор. (Вы также можете использовать цветной флок, пищевой краситель или пудру для макияжа торта.)
В миску, пригодную для использования в микроволновой печи, налейте глицерин. Медленно добавьте гранулы желатина к глицерину. Если вы добавляете пигмент, смешайте его с небольшим количеством глицерина перед добавлением в смесь. Нагрейте глицерин и желатин в микроволновой печи в течение минуты или двух с шагом в 5-10 секунд, следя за тем, чтобы не довести до кипения.
Если желатин закипит, коллаген в желатине будет разрушен, и вам нужно будет начать все сначала. Желатин плавится при температуре около 70 градусов по Цельсию или около 160 градусов по Фаренгейту, в зависимости от высоты над уровнем моря. Когда он полностью растворится, перелейте желатин в пластиковую литровую чашку.
Дать желатину полностью остыть. (Вы можете положить его в морозильную камеру или холодильник — вы, по сути, готовите желе.) Затем снова растопите желатин в микроволновой печи 3 или 4 раза, чтобы убедиться, что вся вода испарилась из глицерина.
Перед тем, как перейти к следующему шагу, нанесите очень тонкий слой вазелина или растительного масла на положительную и отрицательную стороны формы в качестве разделительного агента, чтобы желатин не прилипал к поверхности формы, когда вы будете извлекать форму. прибор.
Когда вы будете готовы отлить свой прибор, смешайте дрожжи с водой и дайте этой смеси постоять не менее двух минут; затем растопить желатин, стараясь не дать ему закипеть, затем добавить смесь дрожжей и воды, перемешивая ее с растопленным желатином.
Он сразу же начнет пениться. Прекратите перемешивание и дайте желатиновой смеси подняться, пока она не остановится, затем хорошо перемешайте большой палочкой для измельчения желатина, то есть чтобы удалить большие пузырьки воздуха и сделать смесь пены однородной. Должна получиться консистенция меренги. Если желатин слишком сильно остыл, немного подогрейте его, чтобы он стал текучим. Как и вспененный латекс, вспененный желатин можно заливать или вводить в форму.
Рекомендуется нагреть отрицательную половину формы в теплой духовке, пока она не станет теплой на ощупь. Это необязательный шаг, но он может обеспечить лучшую поверхность прибора. Положительную часть можно нагреть или охладить перед вспениванием желатина. В охлажденном виде он должен быть холодным на ощупь, но не замороженным. Цель состоит в том, чтобы ускорить время гелеобразования. Заливка теплой пены в замороженную форму может привести к ее растрескиванию. Эксперимент покажет, что лучше.
Когда ваша пена будет готова для заливки, заполните форму; Используйте шпатель или большую палочку для рукоделия, чтобы переместить желатин в теплую негативную форму и немедленно закрыть ее.
Будьте осторожны, чтобы не образовались пузырьки воздуха при закрытии формы. Плотно зажмите или прижмите половинки формы друг к другу, чтобы края прибора были тонкими, затем поместите закрытую форму в морозильную камеру или холодильник для образования геля. В зависимости от размера вашей формы и температуры может пройти от 30 минут до часа, прежде чем прибор будет готов к извлечению из формы.
Вы можете узнать, когда вспененный желатин затвердеет, коснувшись перелива; если он приходит в норму, он готов к расформовке. Аккуратно откройте половинки формы и всыпьте желатин, чтобы он не слипся. Поместите его обратно на позитив, и он готов к нанесению или покраске.
Фотографии Тодда Дебрецени.
Тодд Дебресени начал свою карьеру в сфере развлечений в PBS, когда учился в аспирантуре Университета Теннесси, работал в TBS в Атланте, а также в 20th Century-Fox Television, Warner Bros. и Walt Disney Pictures в Калифорнии. Тодд создал эффекты макияжа для многих театральных постановок и получил в 2006 году премию Denver Post Ovation Award за макияж.
