Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Firedimensionel udskrivning af Stimuli-responsive hydrogelbaserede bløde robotter

Published: January 13, 2023 doi: 10.3791/64870
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 1,3
1Department of Mechanical Systems Engineering, Sookmyung Women's University, 2Department of Biological Sciences, Sookmyung Women's University, 3Institute of Advanced Materials and Systems, Sookmyung Women's University

Summary

Dette manuskript beskriver en 4D-printstrategi til fremstilling af intelligente stimuli-responsive bløde robotter. Denne tilgang kan danne grundlag for at lette realiseringen af intelligente formtransformerbare bløde robotsystemer, herunder smarte manipulatorer, elektronik og sundhedssystemer.

Abstract

Den nuværende protokol beskriver oprettelsen af firedimensionelle (4D), tidsafhængige, formforanderlige, stimuli-responsive bløde robotter ved hjælp af en tredimensionel (3D) bioprintmetode. For nylig er 4D-printteknikker blevet omfattende foreslået som innovative nye metoder til udvikling af formtransformerbare bløde robotter. Især 4D-tidsafhængig formtransformation er en væsentlig faktor i blød robotik, fordi den tillader effektive funktioner at forekomme på det rigtige tidspunkt og sted, når de udløses af eksterne signaler, såsom varme, pH og lys. I tråd med dette perspektiv kan stimuli-responsive materialer, herunder hydrogeler, polymerer og hybrider, udskrives for at realisere smarte formtransformerbare bløde robotsystemer. Den nuværende protokol kan bruges til at fremstille termisk responsive bløde gribere sammensat af N-isopropylacrylamid (NIPAM) -baserede hydrogeler med samlede størrelser fra millimeter til centimeter i længden. Det forventes, at denne undersøgelse vil give nye retninger for realisering af intelligente bløde robotsystemer til forskellige applikationer i smarte manipulatorer (f.eks. Gribere, aktuatorer og pick-and-place-maskiner), sundhedssystemer (f.eks. Lægemiddelkapsler, biopsiværktøjer og mikrokirurgi) og elektronik (f.eks. Bærbare sensorer og fluidik).

Introduction

Udviklingen af stimuli-responsive bløde robotter er vigtig fra både tekniske og intellektuelle perspektiver. Udtrykket stimuli-responsive bløde robotter refererer generelt til enheder / systemer sammensat af hydrogeler, polymerer, elastomerer eller hybrider, der udviser formændringer som reaktion på eksterne signaler, såsom varme, pH og lys 1,2,3,4. Blandt de mange stimuli-responsive bløde robotter udfører N-isopropylacrylamid (NIPAM) hydrogelbaserede bløde robotter de ønskede opgaver eller interaktioner ved hjælp af spontan formtransformation 5,6,7,8. Generelt udviser de NIPAM-baserede hydrogeler en lav kritisk opløsningstemperatur (LCST), og hævelse (hydrofilicitet under LCST) og deswelling (hydrofobicitet over LCST) egenskabsændringer forekommer inde i hydrogelsystemet nær fysiologiske temperaturer mellem 32 ° C og 36 ° C 9,10. Denne reversible hævelses-deswelling-mekanisme nær LCST's skarpe kritiske overgangspunkt kan generere formtransformationen af NIPAM-baserede hydrogel bløde robotter2. Som et resultat har termisk responsive NIPAM-baserede hydrogelbløde robotter forbedret driften, såsom at gå, gribe, kravle og føle, hvilket er vigtigt i multifunktionelle manipulatorer, sundhedssystemer og smarte sensorer 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.

Ved fremstilling af stimuli-responsive bløde robotter er tredimensionelle (3D) printmetoder blevet anvendt i vid udstrækning ved hjælp af en direkte lag-for-lag additiv proces22. En række forskellige materialer, såsom plast og bløde hydrogeler, kan printes med 3D-print23,24. For nylig er 4D-udskrivning blevet fremhævet som en innovativ teknik til at skabe formprogrammerbare bløde robotter25,26,27,28. Dette 4D-print er baseret på 3D-print, og det vigtigste kendetegn ved 4D-print er, at 3D-strukturerne kan ændre deres former og egenskaber over tid. Kombinationen af 4D-udskrivning og stimuli-responsive hydrogeler har givet en anden innovativ rute til at skabe smarte 3D-enheder, der ændrer form over tid, når de udsættes for passende eksterne stimulusudløsere, såsom varme, pH, lys og magnetiske og elektriske felter25,26,27,28 . Udviklingen af denne 4D-printteknik ved hjælp af forskellige stimuli-responsive hydrogeler har givet mulighed for fremkomsten af formtransformerbare bløde robotter, der viser multifunktionalitet med forbedrede responshastigheder og feedbackfølsomhed.

Denne undersøgelse beskriver skabelsen af en 3D-printdrevet termisk responsiv blød griber, der viser formtransformation og bevægelse. Især kan den specifikke procedure, der er beskrevet, bruges til at fremstille forskellige multifunktionelle bløde robotter med samlede størrelser, der spænder fra millimeter- til centimeterlængdeskalaer. Endelig forventes det, at denne protokol kan anvendes på flere områder, herunder bløde robotter (f.eks. smarte aktuatorer og bevægelsesrobotter), fleksibel elektronik (f.eks. Optoelektriske sensorer og lab-on-a-chip) og sundhedssystemer (f.eks. Lægemiddelleveringskapsler, biopsiværktøjer og kirurgisk udstyr).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Den stimuli-responsive bløde griber var sammensat af tre forskellige typer hydrogeler: ikke-stimuli-responsiv acrylamid (AAm) -baseret hydrogel, termisk responsiv N-isopropylacrylamid (NIPAM) -baseret hydrogel og magnetisk responsiv ferrogel (figur 1). De tre hydrogelblæk blev fremstillet ved at ændre tidligere offentliggjorte metoder 29,30,31. De data, der præsenteres i denne undersøgelse, er tilgængelige efter anmodning fra den tilsvarende forfatter.

1. Fremstilling af hydrogelblæk

  1. AAm-baserede hydrogelblæk, der ikke reagerer på stimuli, (figur 1A)
    1. Acrylamid (AAm), tværbindingsjern N, N'-methylenbisacrylamid (BIS) (se materialetabel) og fotoinitiatoren 2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenon (se Materialetabel) fortyndes i destilleret (DI) vand ved hjælp af en magnetisk omrører i 24 timer.
    2. Hvirvel forskydningsfortyndende middel, laponit RD nanoler og fluorescein O-methacrylatfarvestof (se Materialetabel) ved 1.150 o / min i mindst 6 timer, indtil de er helt fortyndet.
    3. Der fremstilles specifikke vægte af AAm-baseret hydrogelblæk pr. total 20 ml opløsningsbase: 1,576 g AAm, 0,332 g BIS, 1,328 g laponit RD, 0,166 g fotoinitiator, 0,1 mg NaOH, 0,1 mg fluorescein O-methacrylat (se materialetabel) og 16,594 g DI-vand.
    4. Efter total fortynding overføres den AAm-baserede hydrogelblæk til en tom 3D-printpatron (se Materialetabel) ved hjælp af en sprøjte.
  2. Stimuli-responsive NIPAM-baserede hydrogelblæk (figur 1B)
    1. Fortynd N-isopropylacrylamid (NIPAM), poly-isopropylacrylamid (PNIPAM) og fotoinitiatoren (se Materialetabel) i DI-vand ved hjælp af en magnetomrører i 24 timer.
    2. Hvirvel forskydningsfortyndende middel, laponit RD nanoler og fluorescein rhodamin 6G-farvestof ved 1.150 o / min i mindst 6 timer, indtil de fortyndes fuldstændigt.
    3. Der fremstilles specifikke vægte af NIPAM-baseret hydrogelblæk pr. total 20 ml opløsningsbase: 1,692 g NIPAM, 0,02 g pNIPAM, 1,354 g laponit RD, 0,034 g fotoinitiator, 0,1 mg rhodamin 6G (se materialetabel) og 16,92 g DI-vand.
    4. Efter fuldstændig fortynding overføres det NIPAM-baserede hydrogelblæk til en tom 3D-printpatron ved hjælp af en sprøjte.
  3. Ferrogel blæk (figur 1C)
    1. A-opløsningen forberedes: Fortyndet acrylamid (AAm) og tværbinding, N, N'-methylenbisacrylamid (BIS), jernoxid (Fe2O3) og N, N, N', N'-tetramethylethylendiamin (TMEDA) (se materialetabel) i DI-vand.
    2. Overvej den specifikke vægtprocent (wt%) af materialerne: 71% AAm, 3,5% BIS og 25,5% Fe 2 O3 i1,2ml DI-vand med 10 μL TMEDA-accelerator.
    3. B-opløsningen forberedes: Fortynd 0,8 g ammoniumpersulfat (APS, se materialetabel) i 10 ml DI-vand.
    4. Til polymerisation overføres 200 μL af A-opløsningen og 5 μL af B-opløsningen til et mikrocentrifugerør.
    5. Vortex mikrocentrifugerøret i 20 s.

2. Optimering af soft hybrid gripper design

BEMÆRK: Den elliptiske bløde hybridgriber består af et AAm-baseret hydrogel ydre lag, et NIPAM-baseret hydrogel indre lag og et ferrogel øvre lag (figur 1D). Den overordnede elliptiske bløde hybridgriber blev skabt ved hjælp af AutoCAD-softwaren (se Materialetabel).

  1. Todimensionelt AAm-baseret hydrogellagsdesign
    1. Tegn en elliptisk form med en lodret akse på 24 mm og en vandret akse på 20 mm i den yderste del.
    2. Tegn en anden elliptisk figur med en lodret akse på 20,8 mm og en vandret akse på 16,8 mm med samme midtpunkt som den figur, der tegnes i trin 2.1.1.
    3. Tegn en trepunktsbue, der passerer gennem punkterne (-8,24, 2), (0, 6) og (8,24, 2) væk fra ellipsens midtpunkt.
    4. Trim den lille øvre del af formørkelsen divideret med buen.
  2. Todimensionelt NIPAM-baseret hydrogellagsdesign
    1. Tegn en oval med en lodret akse på 20,2 mm og en vandret akse på 16,4 mm med samme midtpunkt som formen tegnet i trin 2.1.1.
    2. Der tegnes en ellipse med en lodret akse på 16,16 mm og en vandret akse på 13,12 mm med samme midtpunkt som formen tegnet i trin 2.1.1.
    3. Tegn en trepunktsbue, der passerer gennem punkterne (-7,86, 1,83), (0, 5,6) og (7,86, 1,83) væk fra ellipsens midtpunkt.
    4. Tegn en trepunktsbue, der passerer gennem punkterne (-5,47, 1,64), (0, 3,18) og (5,47, 1,64) væk fra ellipsens midtpunkt.
    5. Trimden lille øverste del af ellipserne divideret med buerne.
    6. For at lave en piedestal skal du tegne en bue med to punkter væk fra midtpunktet ved (-4,75, -2,71) og (4,75, -2,71) som begge slutpunkter og et punkt væk fra midtpunktet ved (0, -4,59).
  3. Todimensionelt ferrogellagsdesign
    1. Tegn en trepunktsbue, der passerer gennem punkterne (-7, 4,92), (0, 9,2) og (7, 4,92) væk fra ellipsens midtpunkt.
    2. Tegn en trepunktsbue, der passerer gennem punkterne (-7, 4,92), (0, 7,6) og (7, 4,92) væk fra ellipsens midtpunkt.
  4. Todimensionelt gripper tips design
    1. For at gøre griberens gribedel skal du skære 0,8 mm fra hver side fra midterlinjen i bunden af ellipsen.
  5. Tredimensionelt hybridgriberdesign
    1. For at omdanne det overordnede 2D-hybridgriberdesign til 3D skal du ekstrudere piedestalen på den responsive gel med 0,8 mm og ekstrudere den ikke-responsive gel, den afskårne ovale af den responsive gel og ferrogellen med 2,5 mm.

3. Tredimensionel udskrivning af den bløde hybridgriber

  1. Generer en G-kode30 for hver struktur, der oprettes i trin 2 ved hjælp af Slic3r-software (se Materialetabel) med en laghøjde på 0,4 mm, en udskrivningshastighed på 10 mm-1 og en udfyldningstæthed på 75 %. Rediger G-kodefilen ved hjælp af dobbelte printhoveder.
  2. Gem G-kodefilen på et sikkert digitalt (SD) kort, og tilslut den til 3D-printeren (se Materialetabel) for at generere udskrivningsstierne for soft gripperen.
  3. Tilslut en luftpumpetrykregulering til 3D-printeren.
  4. Vælg dysespidser med diametre på 0,25 mm og 0,41 mm til henholdsvis NIPAM-baseret hydrogel og AAm-baseret hydrogel.
  5. Tilslut den AAm-baserede hydrogelpatron til dyse 1 og den NIPAM-baserede hydrogelpatron til dyse 2.
  6. Kontroller, om patronernes to printhoveder er på samme position på z-aksen.
  7. Kalibrer X- og Y-koordinaterne præcist for at undgå fejljusteringer mellem de to dyser.
  8. Indstil tryktrykket til 20-25 KPa for den AAm-baserede hydrogel og til 10-15 KPa for den NIPAM-baserede hydrogel.
  9. Gentag trin 3.5-3.8, når hver prøve er helt udskrevet (figur 2A).

4. UV-fotohærdning af den bløde hybridgriber

  1. Før UV-fotohærdning injiceres de magnetfeltresponsive ferrogelblæk (fremstillet i trin 1.3) i det målrettede tyndhulsområde på den 3D-printede bløde griber ved hjælp af en sprøjte.
  2. Efter injektionen af ferrogellen placeres griberstrukturen inde i et UV-kildekammer med en bølgelængde på 365 nm i 6 min. Fastgør intensiteten af UV-lyset til 4,9 mJ/s.
  3. Efter UV-fotohærdning overføres griberstrukturen til et DI-vandbad i mindst 24 timer, indtil den når en fuldt hævet ligevægtstilstand (figur 2B-D).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den NIPAM-baserede hydrogel blev primært overvejet ved design af den termisk responsive bløde griber på grund af dens skarpe LCST, hvilket får den til at udvise betydelige hævelsesnedbrydende egenskaber 9,10. Derudover blev den AAm-baserede hydrogel betragtet som et ikke-stimuli-responsivt system for at maksimere formtransformationen af den bløde hybridgriber og samtidig reducere delamineringen af grænsefladen under flere opvarmnings- og køleprocesser. Derudover blev ferrogel integreret i dette hybridsystem for at skabe en magnetfeltresponsiv blød hybridgriber til ubundet kontrol af magnetfeltdrevet bevægelse. Især skal ferrogelblækinjektionen udføres før polymerisation for at undgå adskillelse fra den NIPAM-baserede hydrogelstruktur.

Aktiveringen af termisk responsiv åbning og lukning blev primært anset for at bestemme hybridgriberens optimale geometri. Oprindeligt blev hævelsen og hævelsen af de NIPAM-baserede og AAm-baserede hydrogeler vurderet ved at måle diameterændringerne fra stuetemperatur til 60 °C. Baseret på denne verifikation af hævelseskraften blev den AAm-baserede hydrogel placeret i den ydre del af strukturlaget, og den NIPAM-baserede hydrogel blev placeret inde i det responsive lag. Dette arbejde verificerede gribefunktionen af flere forskellige strukturer af hybridgriberen, såsom cirkulære og elliptiske geometrier. Specifikt blev en overordnet elliptisk form med en flad NIPAM-baseret plade indeni valgt for at øge hævelsesdewelling-effekten for at give enheden mulighed for at gribe godt og holde mål sikkert uden at tabe dem under pick-and-place-opgaver. Derudover blev et symmetrisk halvmåneformet ferrogelområde designet oven på den elliptiske struktur for at integrere hybridgriberens præcise magnetiske reaktionsevne.

Hybridgriberen blev fremstillet ved hjælp af en stiorienteret additiv 3D-printmetode (figur 3). Først blev den AAm-baserede hydrogel trykt på ydersiden af griberen som et strukturbærende lag (figur 3A), og derefter blev den NIPAM-baserede hydrogel trykt i det indre som et stimuli-responsivt lag (figur 3B). Derefter blev ferrogel injiceret i brønden øverst på hybridgriberen (figur 3C). Til det første trin i de dobbelte 3D-print- og injektionsprocesser blev de syntetiserede AAm-baserede og NIPAM-baserede hydrogeler omhyggeligt overført til en tom 3D-patron for ikke at lade luft komme ind. Injektionen af ferrogel for præcist at forbinde med det AAm-baserede strukturelle hydrogellag skulle udføres omhyggeligt for at undgå bobler.

En række udskrivningsparametre, såsom udskrivningstryk, hastighed, dysediameter og blæksammensætning, blev verificeret for at bestemme de optimale 3D-udskrivningsforhold. Vi observerede, at blækkets viskoelastiske egenskaber var de vigtigste parametre for at opnå præcise tryk- og UV-hærdningsprocesser. De viskoelastiske egenskaber bestemmes hovedsageligt af vægtforholdet mellem det rene udtyndingsmiddel (f.eks. Laponit RD). For at identificere de passende reologiske egenskaber ved blækopløsningerne er det vigtigt at justere forskydningsfortyndende middel til præcis udskrivning og hurtig størkning efter udskrivning og før UV-hærdningsprocessen. Derudover skulle de AAm-baserede og NIPAM-baserede hydrogellag forbindes præcist uden overlapning eller mellemrum mellem dem under 3D-printprocessen. En lille forskydning i X-Y-retningerne og en forskydning i Z-retningen under den dobbelte 3D-udskrivningsproces kan resultere i betydelige fejl i den endelige struktur. Hvis der observeres en forkert justering, skal den forudindstillede placering af X- og Y-retningen med en forskydning i Z-retningen i G-koden justeres igen ved hvert udskrivningstrin, indtil de dobbelte trykhoveder er perfekt justeret. For at opnå præcist justerede griberstrukturer uden fejl blev der indsat små terningformede kalibreringsmarkører i de fire hjørner for at bevare midten af hver struktur.

Den bløde hybridgriber udførte en pick-and-place-opgave via termisk responsiv aktivering og magnetisk bevægelse. Oprindeligt blev termisk responsiv aktivering af den bløde hybridgriber observeret. Når temperaturen steg over den lavere kritiske opløsningstemperatur (LCST), skrumpede den NIPAM-baserede gel, og griberspidsen lukkede sig på grund af hævelsen af den NIPAM-baserede hydrogel. I modsætning hertil åbnede griberspidsen af den bløde hybridgriber, når temperaturen faldt til under LCST på grund af hævelsen af den NIPAM-baserede hydrogel (figur 4A). Derudover bekræftede vi, at inkorporeringen af ferrogel ikke påvirkede foldningen af den bløde hybridgriber under temperaturændringer.

En simpel labyrint ved hjælp af en 3D-printer blev fremstillet, fyldt med DI-vand og anbragt på en kogeplade. Den fuldt opsvulmede bløde hybridgriber blev derefter placeret i labyrintens startposition i en tip-åben tilstand, og lakserogn blev placeret i målområdet. Den bløde hybridgriber blev styret ved hjælp af en ekstern magnet, indtil den nåede lakserognen. Derefter lukkede spidsen af den bløde hybridgriber for at gribe fat i lakserognen, når temperaturen nåede 40 °C. Endelig blev den bløde hybridgriber flyttet ud af labyrinten, mens den holdt lakserognen, og den frigav derefter lakserognen ved målområdet i spidsåben tilstand ved en stuetemperatur på 25 ° C (figur 4B). Lakserognen bevarede sin form uden skader under hele pick-and-place-opgaven. Derudover blev neodymmagneter brugt til at styre den bløde hybridgriber under den magnetiske responsive bevægelse.

Figure 1
Figur 1: Hydrogelforberedelse og det bløde hybridgriberdesign . (A) AAm-baseret hydrogel. (B) NIPAM-baseret hydrogel. (C) Ferrogel blæk. (D) Det bløde hybridgriberdesign fremstillet ved hjælp af AutoCAD- og Slic3r-software. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Fremstillingsproces til 3D-udskrivning af den bløde hybridgriber . (A) Dobbelt udskrivningstilstande med AAm-baseret hydrogel og NIPAM-baseret hydrogelblæk. (B) Ferrogel lag. (C) UV-fotohærdning. (D) Ligevægtstilstand i DI-vand. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3. Fremstilling af den bløde hybridgriber. (A) Udvendigt ikke-stimuli-responsivt Aam-baseret hydrogellag. (B) Indvendigt stimuli-responsivt NIPAM-baseret hydrogellag. (C) Ferrogel lag. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4. Aktivering og bevægelse af den bløde hybridgriber. (A) Termisk responsiv aktivering af den bløde hybridgriber. (B) Demonstration af pick-and-place-opgaver med den bløde hybridgriber. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Med hensyn til materialevalg til den bløde hybridgriber blev et multiresponsivt materialesystem sammensat af en ikke-stimuli-responsiv AAm-baseret hydrogel, en termisk responsiv NIPAM-baseret hydrogel og en magnetisk responsiv ferrogel først forberedt for at give den bløde hybridgriber mulighed for at udvise programmerbar bevægelse og formtransformation. På grund af deres termisk responsive hævelsesnedbrydende egenskaber udviser NIPAM-baserede hydrogeler bøjning, foldning eller rynke, når de fremstilles som dobbeltlags- eller bi-stripstrukturer med hydrogeler med forskellige hævelsesegenskaber, såsom AAm-baserede hydrogeler1. Derudover kan hydrogeler designes til at være magnetisk lydhøre ved at indlejre jernoxid (Fe2O3) nanopartikler. Det er vigtigt, at denne Fe2O 3-inkorporerede acrylamidbaserede ferrogel kan spille en vigtig rolle i at muliggøre magnetisk lydhørhed for at lette blød robot magnetfeltdrevet bevægelse. Især er magnetisk responsive hydrogeler blevet foreslået at blive brugt i ubundne hydrogelbaserede bløde robotsystemer, hvilket ville give mindre invasive tilgange i dynamisk rodede miljøer32.

Det er vigtigt, at den bløde hybridgriber krævede god vedhæftning blandt de tre hydrogeler. Når vedhæftningen er dårlig, vil grænsefladen mellem hydrogelerne blive delamineret under gentagen hævelse og hævelse som reaktion på eksterne udløsere. Især blev acrylamidbaserede hydrogeler introduceret for at sikre god vedhæftning under den gentagne termisk og magnetisk responsive manipulation og bevægelse af den bløde hybridgriber. Derudover blev hævelsen og deswelling af termisk responsive NIPAM-baserede og ikke-stimuli-responsive AAm-baserede hydrogeler verificeret for at forudse graden af bøjning af den bløde hybridgriber. Det skal bemærkes, at en simuleringsmodel baseret på termodynamikrammen med hydrogel hævelse (f.eks. Flory-Huggins-modellen) og mekanik (f.eks. Neo-Hookean-modellen) kan hjælpe med at bestemme omfanget af bøjning som en funktion af hævelsen og temperaturen8. Baseret på disse eksperimentelle og teoretiske karakteriseringer af griberfoldningen blev der valgt et termisk responsivt NIPAM-baseret hydrogellag til den indre del, og et ikke-stimuli-responsivt AAm-baseret hydrogellag blev valgt til den ydre del for at muliggøre bøjning af gribespidserne ind i midten med stigende temperaturer.

Med hensyn til fremstillingen af den bløde hybridgriber kan vores firedimensionelle (4D) tidsafhængige udskrivningsproces bruges til at skabe forskellige stimuli-responsive bløde robotter med et bredt størrelsesområde fra millimeter til centimeter. For nylig har kombinationen af 4D-print og stimuli-responsive smarte materialer givet en ny rute til udvikling af intelligente 3D-strukturer, der kan formtransformeres, når de udsættes for en passende stimuluskilde. Sammen med 4D-printteknikken ved hjælp af en programmerbar stimuli-responsiv hydrogel kan forskellige 3D-printbaner af stimuli-responsive materialer præsentere forskellige endelige hævede geometrier, der viser forskellige buede, rullede, foldede eller spiralformede strukturer26. Udviklingen af denne innovative 4D-printstrategi har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af dens betydelige skalerbarhed og fremstillbarhed til at skabe intelligente stimuli-responsive bløde robotter.

4D-udskrivning af forskellige hydrogeler kræver dog flere udfordringer, der skal overvindes. For det første er responstiden for den formforanderlige aktivering af 4D-printede hydrogeler ret langsom. Yderligere finjustering af hydrogelsammensætningen integreret med funktionelle materialer (f.eks. nanopartikler, lavdimensionelle materialer, flydende krystaller og endda biologiske DNA'er) er nødvendig for at forbedre responstiden. Derudover skal positionskalibreringen af Z-retningen og justeringen af X-Y-retningerne dobbelttjekkes ved hvert trin under dobbeltudskrivningsprocessen. For at opnå en kontinuerlig udskrivningsproces uden fejljustering skal de forudindstillede værdier i X-, Y- og Z-retningen i G-kodefilerne dobbelttjekkes og gentages flere gange, indtil printhovederne er perfekt justeret.

Fra et applikationsperspektiv introducerer dette papir termisk og magnetisk responsive bløde hybridgribere, der aktivt udfører pick-and-place-opgaver. Den sekventielle proces med sikkert at gribe og sikkert holde et objekt er kritisk i blød robotik. Den stimuli-responsive soft gripper har vist muligheden for at udvikle et intelligent manipulationssystem, der kan gribe og frigive genstande præcist på en mindre invasiv eller ikke-invasiv måde i henhold til den eksterne stimuli on-off proces32. For nylig, for at opnå den automatiserede bevægelse af en blød griber til nøjagtige pick-and-place-opgaver, er ultralydsbilledfeedback-koblede gradientmagnetfeltsystemer blevet udviklet parallelt33. Selvom det stadig er på det konceptuelle niveau, forventer vi, at denne specifikke protokol til 4D-udskrivning af en blød stimuli-responsiv hybridgriber vil danne grundlag for yderligere betydelige fremskridt i udviklingen af præcist kontrollerbare, meget følsomme og multifunktionelle smarte stimuli-responsive bløde robotter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Forfatterne anerkender taknemmeligt støtte fra National Research Foundation of Korea (NRF) tilskud finansieret af den koreanske regering (MSIT) (nr. 2022R1F1A1074266).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone Sigma Aldrich 410896-50G Irgacure 2959, photoinitiator
3D WOX 2X sindoh n/a 3D printer for fabricating a maze
Acrylamide Sigma-Aldrich 29-007 ≥99%
Airbrush compressor WilTec AF18-2
Ammonium persulfate Sigma Aldrich A4418
Auto CAD Autodesk n/a software for computer-aided-design file
BLX UV crosslinker BIO-LINK U01-133-565
Cartridge CELLINK CSC010300102
Digital stirring Hot Plates Corning 6798-420D
Fluorescein O-methacrylate Sigma Aldrich 568864 dye of AAm gel
INKREDIBLE+ bioprinter CELLINK n/a
Iron(III) Oxide red DUKSAN general science I0231
Laponite RD BYK n/a nanoclay
Microcentrifuge tube SPL 60615
Micro stirrer bar Cowie 27-00360-08
N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine Sigma Aldrich T7024-100ML
N, N'-methylenebisacrylamide Sigma Aldrich M7279 ≥99.5%
N-isopropylacrylamide Sigma-Aldrich 415324-50G
Poly(N-isopropylacrylamide) Sigma-Aldrich 535311
Rhodamine 6G Sigma Aldrich R4127 dye of NIPAM gel
Slic3r software (v1.2.9) Slic3r n/a open-source software to convert .stl file to gcode
Sodium hydroxide beads Sigma Aldrich S5881
Sterile high-precision conical bioprinting nozzles CELLINK NZ3270005001 22 G, 25 G
Syringe Korea vaccine K07415389 10 CC 21 G (1-1/4 INCH)
Vortex mixer DAIHAN DH.WVM00030

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gracias, D. H. Stimuli responsive self-folding using thin polymer films. Current Opinion in Chemical Engineering. 2 (1), 112-119 (2013).
  2. Zhang, Y. S., Khademhosseini, A. Advances in engineering hydrogels. Science. 356 (6337), (2017).
  3. Erol, O., Pantula, A., Liu, W., Gracias, D. H. Transformer hydrogels: A review. Advanced Materials Technologies. 4 (4), 1900043 (2019).
  4. Liu, X., Liu, J., Lin, S., Zhao, X. Hydrogel machines. Materials Today. 36, 102-124 (2020).
  5. Hu, Z., Zhang, X., Li, Y. Synthesis and application of modulated polymer gels. Science. 269 (5223), 525-527 (1995).
  6. Klein, Y., Efrati, E., Sharon, E. Shaping of elastic sheets by prescription of non-Euclidean metrics. Science. 315 (5815), 1116-1120 (2007).
  7. Kim, J., Hanna, J. A., Byun, M., Santangelo, C. D., Hayward, R. C. Design responsive buckled surfaces by halftone gel lithography. Science. 335 (6073), 1201-1205 (2012).
  8. Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (5), 3398-3405 (2015).
  9. Schild, H. G. Poly (N-isopropylacrylamide): Experiment, theory and application. Progress in Polymer Science. 17 (2), 163-249 (1992).
  10. Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. -C., Sharma, N., Zhou, Y. Stimuli-responsive polymer gels. Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).
  11. Stuart, M. A., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).
  12. Ionov, L. Biomimetic hydrogel-based actuating systems. Advanced Functional Materials. 23 (36), 4555-4570 (2013).
  13. Ghosh, A., et al. Stimuli-responsive soft untethered grippers for drug delivery and robotic surgery. Frontiers in Mechanical Engineering. 3, 7 (2017).
  14. Kirillova, A., Ionov, L. Shape-changing polymers for biomedical applications. Journal of Materials Chemistry B. 7, 1597-1624 (2019).
  15. Le, X., Lu, W., Zhang, J., Chen, T. Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators. Advanced Science. 6 (5), 1801584 (2019).
  16. Xu, W., Gracias, D. H. Soft three-dimensional robots with hard two-dimensional materials. ACS Nano. 13 (5), 4883-4892 (2019).
  17. Yoon, C. K. Advances in biomimetic stimuli responsive soft grippers. Nano Convergence. 6, 20 (2019).
  18. Lee, Y., Song, W. J., Sun, J. Y. Hydrogel soft robotics. Materials Today Physics. 15, 100258 (2020).
  19. Shen, Z., Chen, F., Zhu, X., Yong, K. T., Gu, G. Stimuli-responsive functional materials for soft robotics. Journal of Materials Chemistry B. 8, 8972-8991 (2020).
  20. Kim, H., et al. Shape morphing smart 3D actuator materials for micro soft robot. Materials Today. 41, 243-269 (2020).
  21. Ding, M., et al. Multifunctional soft machines based on stimuli-responsive hydrogels: From freestanding hydrogels to smart integrated systems. Materials Today Advances. 8, 100088 (2020).
  22. Wang, X., Jiang, M., Zhou, Z., Gou, J., Hui, D. 3D printing of polymer matrix composites: A review and prospective. Composites Part B: Engineering. 110, 442-458 (2017).
  23. Bartlett, N. W., et al. A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion. Science. 349 (6244), 161-165 (2015).
  24. Wehner, M., et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature. 536, 451-455 (2016).
  25. Tibbits, S. 4D printing: Multi-material shape change. Architectural Design. 84 (1), 116-121 (2014).
  26. Gladman, A. S., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L., Lewis, J. A. Biomimetic 4D printing. Nature Materials. 15, 413-418 (2016).
  27. Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J. A review of 4D printing. Materials & Design. 125, 42-79 (2017).
  28. Ionov, L. 4D biofabrication: Materials, methods, and applications. Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 1800412 (2018).
  29. Liu, J., et al. Dual-gel 4D printing of bioinspired tubes. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (8), 8492-8498 (2019).
  30. Son, H., et al. Untethered actuation of hybrid hydrogel gripper via ultrasound. ACS Macro Letters. 9 (12), 1766-1772 (2020).
  31. Ding, Z., Salim, A., Ziaie, B. Squeeze-film hydrogel deposition and dry micropatterning. Analytical Chemistry. 82 (8), 3377-3382 (2010).
  32. Ongaro, F., et al. Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments. Journal of Micro-Bio Robotics. 12, 45-52 (2017).
  33. Scheggi, S., et al. Magnetic motion control and planning of untethered soft grippers using ultrasound image feedback. 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE. , 6156-6161 (2017).

Tags

Engineering udgave 191 Blød robotik selvfoldning intelligent system sundhedsvidenskab biopsi origami fabrikation lægemiddellevering fotolitografi
Firedimensionel udskrivning af Stimuli-responsive hydrogelbaserede bløde robotter
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lee, Y., Choi, J., Choi, Y., Park,… More

Lee, Y., Choi, J., Choi, Y., Park, S. M., Yoon, C. Four-Dimensional Printing of Stimuli-Responsive Hydrogel-Based Soft Robots. J. Vis. Exp. (191), e64870, doi:10.3791/64870 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter