ساختار و کاربرد نانوسلولوز در ربات‌های نرم

نوع مقاله : سایر

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری دانشگاه صنعتی شریف

2 استاد دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

10.22063/basparesh.2025.35582.1716

چکیده

ربات‌های نرم و محرک‌های نرم به‌دلیل انعطاف‌پذیری،‌ که آن‌ها را برای تعامل با قطعات سازگار در محیط‌های پیچیده یا زیستی مناسب می‌کند، توجه زیادی را جلب کرده‌اند. نانوسلولوز به‌دلیل فراوانی، تجدیدپذیری، زیست‌تخریب‌پذیری، زیست­سازگاری و استحکام مکانیکی درخور توجه آن کاندیدای بسیار خوبی برای جایگزینی مواد سنتزی، تقویت مواد یا ایجاد نانوکامپوزیت‌های ناهمسان‌گرد است. یکی دیگر از ویژگی‌های قابل توجه نانوسلولوز، مساحت سطح زیاد، فراوانی گروه‌های هیدروکسیل روی سطح و آسانی تغییر بار سطحی یا خواص شیمیایی سطح آن است. بنابراین، نانوسلولوز انتخاب بسیار خوبی برای تهیه محرک‌های بسیارحساس به رطوبت و پلیمرهای الکتروفعال است. تغییرشکل نایکنواخت مواد و همچنین گرادیان تنش القایی نقش مهمی در عملکرد بسیاری از محرک‌های نرم ایفا می‌کند. این شرایط با اعمال محرک خارجی نایکنواخت، تهیه ساختارهای ناهمگن شامل ساختارهای دولایه یا چندلایه، مواد گرادیانی یا نانوکامپوزیت‌های ناهمسان‌گرد یا استفاده از پلیمرهای الکتروفعال حاصل می‌شود. نانوسلولوز در تهیه ساختار مناسب برای تغییر شکل نایکنواخت مواد استفاده‌شده برای ساخت محرک‌های نرم مفید است. در این مقاله مروری، ساختار نانوسلولوز و پژوهش‌های انجام‌شده در زمینه کاربرد آن در ساخت ربات­ها و عملگرهای نرم بحث و بررسی شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Structure and Application of Nanocellulose in Soft Robotics

نویسندگان [English]

  • Haleh Khoshnazar 1
  • Mohammad Reza Movahhedy 2
  • Reza Naghdabadi 2
1 PhD Candidate, Sharif university of technology
2 Faculty of department of mechanical engineering, Sharif university of technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Soft robots and soft actuators have attracted much attention due to their flexibility, which befits them to interact with compliant parts in complex or biological environments. Nanocellulose as an abundant, renewable, biodegradable and biocompatible material with significant mechanical strength, is a great candidate to replace synthetic materials, reinforce materials or obtain anisotropic nanocomposites. Another noteworthy feature of nanocellulose is its high surface area and abundance of hydroxyl groups on its surface. Moreover, it is facile to alter its surface charge or surface chemical properties. Therefore, nanocellulose is a great choice for preparing humidity responsive actuators with high sensitivity and electroactive polymers. Non-uniform deformation of materials, as well as, the induced stress plays a crucial role on the performance of many soft actuators. This condition is achieved by applying non-uniformly an external stimulus, preparing heterogeneous structures including bilayers or multilayer structures, gradient materials or anisotropic nanocomposites, or using electroactive polymers. Nanocellulose is advantageous to prepare the proper structure for non-uniform deformation of material used to fabricate soft actuators. Therefore, the structure of nanocellulose is described and its application in soft robots and actuators is presented in this review.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nanocellulose
  • , soft robot
  • , soft actuator
  • , nanocomposite
  • electroactive polymers

مراجع

  1. Magalhaes M.I. and Almeida A.P.C., Nature-Inspired Cellulose-Based Active Materials: From 2D to 4D, Appl. Biosci., 2, 94-114, 2023.
  2. Solhi L., Guccini V., Heise K. et al., Understanding Nanocellulose-Water Interactions: Turning a Detriment into an Asset, Chem. Rev., 123, 1925-2015, 2023.
  3. Proposed New TAPPI Standard: Standard Terms and Their Definition for Cellulose Nanomaterial (WI 3021).
  4. Klemm D., Kramer F., Moritz S. et al., Nanocelluloses: A New Family of Nature-Based Materials, Angew. Chem. Int. Edit., 50, 5438-5466, 2011.
  5. Wang M., Tian X., Ras R.H.A., and Ikkala O., Sensitive Humidity-Driven Reversible and Bidirectional Bending of Nanocellulose Thin Films as Bio-Inspired Actuation, Adv. Mater. Inter., 2, 1500080, 2015.
  6. Yang L., Cui J., Zhang L., Xu X., Chen X., and Sun D., A Moisture-Driven Actuator Based on Polydopamine-Modified MXene/Bacterial Cellulose Nanofiber Composite Film, Adv. Funct. Mater., 31, 2101378, 2021.
  7. Wei J., Jia S., Wei J., Ma C., and Shao Z., Tough and Multifunctional Composite Film Actuators Based on Cellulose Nanofibers Toward Smart Wearables, ACS Appl. Mater. Inter., 13, 38700-38711, 2021.
  8. Xu X. and Hsieh Y. L., Aqueous Exfoliated Graphene by Amphiphilic Nanocellulose and its Application in Moisture Responsive Foldable Actuators, Nanoscale, 11, 11719, 2019
  9. Wang X., Han B., Yu R.P. et al., Magnetic-Responsive Fe3O4 Nanoparticle-Impregnated Cellulose Paper Actuators, Extreme Mech. Lett., 25, 53-59, 2018.
  10. Héraly F., Zhang M., Ahl A., Cao W., Bergström L., and Yuan J., Nanodancing with Moisture: Humidity-Sensitive Bilayer Actuator Derived from Cellulose Nanofibrils and Reduced Graphene Oxide, Adv. Intell. Syst., 4, 2100084, 2022.
  11. Wang X., Huang H., Liu H., Rehfeldt F., Wang X., and Zhang K., Multi-Responsive Bilayer Hydrogel Actuators with Programmable and Precisely Tunable Motions, Macromol. Chem. Phys., 220, 1800562, 2019.
  12. Chemin M., Beaumal B., Cathala B., and Villares A., pH-Responsive Properties of Asymmetric Nanopapers of Nanofibrillated Cellulose, Nanomaterials, 10, 1380, 2020.
  13. Costa L.L., Moreau C., Lourdin D., Cathala B., and Villares A., Unraveling the Control of Reversibility for Actuators Based on Cellulose Nanofibers, Carbohyd. Polym., 314, 2023.
  14. Liu W., Geng L., Wu J., Huang A., and Peng X., Highly Strong and Sensitive Bilayer Hydrogel Actuators Enhanced by Cross-oriented Nanocellulose Networks, Compos. Sci. Technol., 225, 109494, 2022.
  15. Mo K., He M., Cao X., and Chang C., Direct Current Electric Field Induced Gradient Hydrogel Actuators with Rapid Thermo-Responsive Performance as Soft Manipulators, J. Mater. Chem. C, 8, 2756-2763, 2020.
  16. Yu X., Cheng Y., Zhang H. et al., Dorsoventral Gradient Hydrogel Fiber Actuators Visualized by AIEgen-conjugated Nanoparticles, Nano Today, 44, 101502, 2022.
  17. Gong C., Zhai Y., Zhou J., Wang Y., and Chang C., Magnetic Field Assisted Fabrication of Asymmetric Hydrogels for Complex Shape Deformable Actuators, J. Mater. Chem. C, 10, 549-556, 2020.
  18. Sun W., Song Z., Wang J., Yi Z., and He M., Preparation of Patterned Hydrogels for Anti-counterfeiting and Directional Actuation by Shear-Induced Orientation of Cellulose Nanocrystals, Carbohyd. Polym., 332, 121946, 2024.
  19. Wang J., Liu Q., Gong J. et al., Micropatterned Hydrogels with Highly Ordered Cellulose Nanocrystals for Visually Monitoring Cardiomyocytes, Small, 18, 2202235, 2022.
  20. Wang B., Torres-Rendon J.G., Yu J., Zhang Y., and Walther A., Aligned Bioinspired Cellulose Nanocrystal-Based Nanocomposites with Synergetic Mechanical Properties and Improved Hygromechanical Performance, ACS Appl. Mater. Inter., 7, 4595-4607, 2015.
  21. Gladman A.S., Matsumoto E.A., Nuzzo R.G., Mahadevan L., and Lewis J.A., Biomimetic 4D Printing, Nat. Mater., 15, 413-418, 2016.
  22. Lai J., Ye X., Liu J., Wang C. et al., 4D Printing of Highly Printable and Shape Morphing Hydrogels Composed of Alginate and Methylcellulose, Mater. Design, 205, 109699, 2021.
  23. Fourmann O., Hausmann M.K., Neels A. et al., 3D Printing of Shape-Morphing and Antibacterial Anisotropic Nanocellulose Hydrogels, Carbohyd. Polym., 259, 117716, 2021.
  24. Esmaeili M., Norouzi S., George K., Rezvan G., Taheri-Qazvini N., and Sadati M., 3D Printing-Assisted Self-Assembly to Bio-Inspired Bouligand Nanostructures, Small, 19, 2023.
  25. Huang Y., Wang F., Qian L., Cao, X., He B., and Li J., A Fast-Response Electroactive Actuator Based on TEMPO-Oxidized Cellulose Nanofibers, Smart Mater. Struct., 31, 2022.
  26. Correia D.M., Lizundia E., Meira, R.M., Rincón-Iglesias M., and Lanceros-Méndez S., Cellulose Nanocrystal and Water-Soluble Cellulose Derivative Based Electromechanical Bending Actuators, Materials, 13, 2294, 2020.
  27. Wang F., Li Q., Park J.O., Zheng S., and Choi E., Ultralow Voltage High-Performance Bioartificial Muscles Based on Ionically Crosslinked Polypyrrole-Coated Functional Carboxylated Bacterial Cellulose for Soft Robots, Adv. Func. Mater., 31, 2007749, 2020.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار