Исследователи из Университета Ратджерса (Нью-Брансвик) разработали инновационный материал, получивший определение «умный гель». Изделия из данного “умного” состава, изготовленные с помощью метода трехмерной печати, обладают способностью к автономному передвижению в водной среде и к простой транспортировке малогабаритных объектов. Внедрение этого материала открывает перспективы для создания мягких роботов, имитирующих морских обитателей, таких как кальмары или осьминоги, которые способны манипулировать предметами без нанесения им механических повреждений. Кроме того, новый материал может быть использован в качестве основы для искусственных мышц, предназначенных для приведения в действие протезов органов, включая сердце. Ученые подчеркивают широкий потенциал применения данного геля, особенно в области биоинженерии, обусловленный его структурным сходством с тканями живых организмов.

Он, как и живые ткани, весьма мягок и содержит в себе много воды” – рассказывает Хоуон Ли (Howon Lee), один из исследователей, – “Материал может стать основой новых типов подводных устройств, которые будут похожи на некоторых морских обитателей, таких, как осьминоги, к примеру”.

Для производства умного геля используется специальный светочувствительный раствор, который под воздействием света превращается в более плотную субстанцию. После этого объекты из геля помещаются в подсоленную воду, куда опускаются и два электрода.

Комбинация концентрации солей в воде, полярность и сила создаваемого электрического поля позволяет управлять формой и движениями объекта из геля. Гель по своей структуре весьма напоминает мускульные ткани из-за его мягкости, 70-процентного содержания воды и способности реагировать на электрическое возбуждение.

На приведенном ниже видеоролике можно увидеть различные варианты применения нового умного геля, а самым забавным вариантом является дюймовая фигурка человечка, которая способна шагать под водой под воздействием импульсного электрического поля.

«Умные гели» (или стимулируемые смарт-гидрогели), способные к самостоятельному изменению формы и контролируемому перемещению в водной среде, — это одно из самых перспективных направлений на стыке химии полимеров, биомедицины и мягкой робототехники.

Такие материалы состоят из полимерных сеток, удерживающих большой объем воды, и могут реагировать на внешние раздражители (электрическое поле, температуру, свет, химические реакции), сжимаясь, расширяясь или изгибаясь.

Разработками в этой области активно занимаются как международные исследовательские центры, так и ведущие российские институты.

Кто занимается разработкой в мире?

Основные мировые прорывы связаны с созданием антропоморфных и зооморфных гидрогелевых роботов, способных «шагать» или «плавать» под водой:

• Университет Ратгерса (Rutgers University, США): Группа инженеров под руководством профессора Ховона Ли (Howon Lee) совершила прорыв, создав «умный гель», фигурки из которого печатаются на специализированном 3D-принтере. Под воздействием слабых электрических импульсов в соленой воде (электролите) этот гидрогель имитирует сокращение живых мышц. Фигурки высотой в пару сантиметров способны самостоятельно «шагать» по дну и мягко захватывать подводные предметы.
• Массачусетский технологический институт (MIT, США): Лаборатория под руководством Сюаньхэ Чжао (Xuanhe Zhao) разработала полностью прозрачных гидрогелевых роботов, перемещающихся за счет быстрой гидравлической прокачки воды через внутренние микроканалы. Их движения напоминают личинок угрей.
• Университеты Японии (Университет Токио и др.): Японские ученые — пионеры в создании так называемых самоосциллирующих гелей. Они используют внутреннюю химическую реакцию Белоусова — Жаботинского. Гель циклически сжимается и разжимается за счет внутренней химической энергии вообще без внешних проводов и команд, напоминая движение гусеницы. также разрабатываются гидрогели-водомерки, способные перемещаться по поверхности воды за счет изменения поверхностного натяжения.

Кто занимается разработкой в России?

Российские ученые фокусируются на химическом управлении движением гелей и интеграции наночастиц для медицины:

• Институт металлоорганической химии им. Г. А. Разуваева РАН совместно с ННГУ им. Лобачевского (Нижний Новгород): Нижегородские химики разработали полимерный гель, способный преобразовывать внутреннюю химическую энергию в механическое движение. Материал реагирует на изменения среды (например, кислотность или присутствие определенных веществ), что позволяет создавать автономные мягкие конструкции, способные плавать и ползать в жидких средах без батареек.
• Томский политехнический университет (ТПУ): Исследователи ТПУ синтезировали инновационные «умные» гидрогели с магнитоэлектрическими наночастицами. Хотя они не «шагают» как американские аналоги, они способны целенаправленно менять форму, сжиматься и активироваться под воздействием внешнего магнитного поля, что критически важно для бесконтактного управления внутри организма.
• МГУ им. М. В. Ломоносова (Кафедра высокомолекулярных соединений): Российские физики и химики глубоко изучают фундаментальные свойства «умных» полиэлектролитных гидрогелей — их способность к резкому коллапсу (сжатию) и набуханию при изменении внешних условий, что закладывает базу для управляемых полимерных мышц.

Для чего разрабатывают такие гели?

Основные сферы применения «плавающих» и подвижных умных гелей делятся на три ключевых направления:

1. Мягкая робототехника (Soft Robotics):
   Традиционные роботы из металла и пластика могут разрушить хрупкую подводную флору или повредить морских обитателей. Гелевые роботы (по принципу осьминогов или кальмаров) имеют ту же плотность, что и вода, они практически невидимы (оптический и акустический камуфляж) и могут аккуратно брать пробы со дна или исследовать затонувшие объекты.
2. Биомедицина и микрохирургия:
   Микроскопические гелевые роботы могут быть запущены в кровоток или внутренние органы человека. Реагируя на температуру тела или уровень pH, такой гель может самостоятельно «доплыть» до нужной зоны (например, опухоли) и сжаться, прицельно выпустив лекарство, не травмируя здоровые ткани. Также это путь к созданию искусственных мышц для сердца или желудка.
3. Экологический мониторинг:
   Автономные гелевые капсулы могут годами дрейфовать в водоемах. В случае обнаружения токсичного выброса или изменения кислотности воды гель меняет форму (сжимается/изгибается), сигнализируя об опасности или активируя процесс фильтрации вредных веществ.

Технологии 3D-печати гелей и применение магнитного поля для управления материалами в российских медицинских разработках

Рассмотрим оба направления подробнее: как создаются физические формы таких «живых» материалов на 3D-принтерах и как физика магнитных полей заставляет их работать внутри человеческого тела.

1. Технологии 3D- и 4D-печати «умных» гелей

Печать гидрогелями коренным образом отличается от классической FDM-печати пластиком (когда плавится катушка с нитью). Нагревать гидрогель нельзя — он либо разрушится, либо потеряет воду, либо в нем погибнут живые клетки (если мы говорим о биопринтинге).

Поэтому инженеры используют две основные технологии:

Экструзия жидких чернил (Direct Ink Writing — DIW)

Гель заправляется в шприц-дозатор. Он обладает свойством тиксотропии — в спокойном состоянии это густая паста, но при выдавливании под давлением через микросопло она становится жидкой, а на печатном столе мгновенно затвердевает.

• Как делают его «умным»: В процессе экструзии ученые могут менять ориентацию полимерных цепочек. Например, инженеры MIT разработали технологию, при которой сопло принтера при движении выстраивает внутреннюю структуру геля в определенном направлении. Когда готовый робот попадает в воду, разные его части расширяются неравномерно — это заставляет его двигаться.

Световое отверждение (Stereolithography — SLA)

В ванночку наливается жидкий фотополимерный раствор. Лазер или свет проектора «рисует» на поверхности жидкости контур, и раствор мгновенно застывает в тонкий слой геля.

• Как делают его «умным»: Именно этот метод использовался в Университете Ратгерса. В жидкий раствор добавляются светочувствительные наноматериалы. Принтер послойно создает сложнейшие структуры, которые сразу запрограммированы сжиматься при подаче электрического тока или света определенной длины волны.

Что такое 4D-печать?
Когда объект печатают на 3D-принтере из «умного» геля, это называют 4D-печатью. Четвертое измерение — это время. Изделие выходит из принтера статичным, но под воздействием внешнего триггера (температуры, влаги) начинает автономно менять свою геометрию, скручиваться в спирали или «шагать».

2. Магнитное управление в российских медицинских разработках

Если в робототехнике гелями управляют в основном через электрическое поле или химические реакции, то для медицины это не подходит. Электрический ток может обжечь ткани организма, а химические стимулы — нарушить баланс pH.

Магнитное поле — идеальный инструмент: оно абсолютно безвредно для человека и беспрепятственно проходит сквозь ткани на любую глубину.

Российские ученые (в частности, знаковый прорыв совершили исследователи из Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами) используют концепцию магнитоэлектрического эффекта.

Как это устроено механически (на примере восстановления мозга после травм):

1. Наночастицы «Ядро-Оболочка»: Ученые создали композитные наночастицы. Внутри находится магнитное ядро (например, из феррита марганца), а снаружи — пьезоэлектрическая оболочка. Эти частицы равномерно замешиваются в биосовместимый гидрогель на основе коллагена и гиалуроновой кислоты.
2. Трансформация поля в электричество: Когда к гидрогелю прикладывают внешнее переменное магнитное поле, магнитное ядро частицы начинает механически деформироваться (сжиматься/разжиматься). Эта микродеформация давит на пьезоэлектрическую оболочку, и она генерирует слабый электрический импульс.
3. Зачем это нужно: Нервные клетки (нейроны) общаются между собой с помощью электрических сигналов. Локальные микротоки, рожденные внутри гидрогеля под действием внешнего магнита, стимулируют стволовые клетки мигрировать в зону травмы и превращаться в новые рабочие нейроны. Сам гель при этом снимает воспаление и постепенно безопасно рассасывается, уступая место новой здоровой ткани.

Таргетная доставка лекарств:

Параллельно в ТПУ разработали численные модели для высокоточного контроля гидрогелевых микрокапсул (например, на основе альгината натрия).

• В структуру такой капсулы внедряются магнитные наночастицы.
• С помощью внешних магнитных установок капсулу буквально «ведут» по кровотоку, как радиоуправляемую машинку.
• Когда капсула добирается до больного органа, частоту магнитного поля меняют. Гель внутри капсулы реагирует на это — его полимерная сетка сжимается (коллапсирует) и, словно губка, «выжимает» лекарство точно в цель, не отравляя остальной организм.

Если вам интересно, мы можем детальнее разобрать, как именно контролируют размер капсул при их создании, или посмотреть на другие полимерные материалы (например, фторполимеры), которые российские ученые используют для управления стволовыми клетками. Что вызовет больший интерес?