Summary
Bu makale, akıllı uyaranlara duyarlı yumuşak robotlar üretmek için bir 4D baskı stratejisini açıklamaktadır. Bu yaklaşım, akıllı manipülatörler, elektronik ve sağlık sistemleri de dahil olmak üzere akıllı şekil dönüştürülebilir yumuşak robotik sistemlerin gerçekleştirilmesini kolaylaştırmak için zemin hazırlayabilir.
Abstract
Mevcut protokol, üç boyutlu (3D) bir biyo-baskı yöntemi kullanılarak dört boyutlu (4D), zamana bağlı, şekil değiştirebilen, uyaranlara duyarlı yumuşak robotların oluşturulmasını açıklamaktadır. Son zamanlarda, 4D baskı teknikleri, şekil dönüştürülebilir yumuşak robotlar geliştirmek için yenilikçi yeni yöntemler olarak kapsamlı bir şekilde önerilmiştir. Özellikle, 4D zamana bağlı şekil dönüşümü, yumuşak robotikte önemli bir faktördür, çünkü ısı, pH ve ışık gibi dış ipuçları tarafından tetiklendiğinde etkili işlevlerin doğru zamanda ve yerde gerçekleşmesine izin verir. Bu bakış açısı doğrultusunda, hidrojeller, polimerler ve hibritler de dahil olmak üzere uyaranlara duyarlı malzemeler, akıllı şekil dönüştürülebilir yumuşak robotik sistemleri gerçekleştirmek için basılabilir. Mevcut protokol, N-izopropilakrilamid (NIPAM) bazlı hidrojellerden oluşan, toplam boyutları milimetreden santimetreye kadar değişen termal olarak duyarlı yumuşak tutucular üretmek için kullanılabilir. Bu çalışmanın, akıllı manipülatörlerde (örneğin, tutucular, aktüatörler ve toplama ve yerleştirme makineleri), sağlık sistemlerinde (örneğin, ilaç kapsülleri, biyopsi araçları ve mikroameliyatlar) ve elektronikte (örneğin, giyilebilir sensörler ve akışkanlar) çeşitli uygulamalar için akıllı yumuşak robotik sistemlerin gerçekleştirilmesi için yeni yönler sağlaması beklenmektedir.
Introduction
Uyaranlara duyarlı yumuşak robotların geliştirilmesi hem teknik hem de entelektüel açıdan önemlidir. Uyaranlara duyarlı yumuşak robotlar terimi genellikle ısı, pH ve ışık 1,2,3,4 gibi dış ipuçlarına yanıt olarak şekil değişiklikleri sergileyen hidrojeller, polimerler, elastomerler veya melezlerden oluşan cihazları / sistemleri ifade eder. Birçok uyarana duyarlı yumuşak robot arasında, N-izopropilakrilamid (NIPAM) hidrojel bazlı yumuşak robotlar, kendiliğinden şekil dönüşümü 5,6,7,8 kullanarak istenen görevleri veya etkileşimleri gerçekleştirir. Genel olarak, NIPAM bazlı hidrojeller düşük bir kritik çözelti sıcaklığı (LCST) sergiler ve hidrojel sisteminde 32 ° C ile 36 ° C 9,10 arasındaki fizyolojik sıcaklıklara yakın şişme (LCST'nin altındaki hidrofilisite) ve şişme (LCST'nin üzerindeki hidrofobiklik) özellik değişiklikleri meydana gelir. LCST'nin keskin kritik geçiş noktasının yakınındaki bu geri dönüşümlü şişme-şişme giderme mekanizması, NIPAM bazlı hidrojel yumuşak robotların şekil dönüşümünü oluşturabilir2. Sonuç olarak, termal olarak duyarlı NIPAM tabanlı hidrojel yumuşak robotlar, çok işlevli manipülatörlerde, sağlık sistemlerinde ve akıllı sensörlerde önemli olan yürüme, kavrama, emekleme ve algılama gibi işlemleri geliştirmiştir 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Uyaranlara duyarlı yumuşak robotların üretiminde, üç boyutlu (3D) baskı yaklaşımları, doğrudan katman katman katkı maddesi süreci22 kullanılarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Plastik ve yumuşak hidrojeller gibi çeşitli malzemeler 3D baskı23,24 ile basılabilir. Son zamanlarda, 4D baskı, şekil programlanabilir yumuşak robotlar25,26,27,28 oluşturmak için yenilikçi bir teknik olarak kapsamlı bir şekilde vurgulanmıştır. Bu 4D baskı, 3D baskıya dayanır ve 4D baskının temel özelliği, 3D yapıların zaman içinde şekillerini ve özelliklerini değiştirebilmesidir. 4D baskı ve uyaranlara duyarlı hidrojellerin kombinasyonu, ısı, pH, ışık ve manyetik ve elektrik alanlar gibi uygun dış uyaran tetikleyicilerine maruz kaldığında zaman içinde şekil değiştiren akıllı 3D cihazlar oluşturmak için başka bir yenilikçi yol sağlamıştır25,26,27,28 . Çeşitli uyaranlara duyarlı hidrojeller kullanan bu 4D baskı tekniğinin geliştirilmesi, gelişmiş tepki hızları ve geri bildirim hassasiyeti ile çok işlevli gösteren şekil dönüştürülebilir yumuşak robotların ortaya çıkması için bir fırsat sağlamıştır.
Bu çalışmada, şekil dönüşümünü ve hareketi gösteren 3D baskı tahrikli termal olarak duyarlı yumuşak tutucunun oluşturulması açıklanmaktadır. Özellikle, açıklanan özel prosedür, milimetreden santimetre uzunluk ölçeklerine kadar değişen genel boyutlara sahip çeşitli çok işlevli yumuşak robotlar üretmek için kullanılabilir. Son olarak, bu protokolün yumuşak robotlar (örneğin, akıllı aktüatörler ve hareket robotları), esnek elektronikler (örneğin, optoelektrik sensörler ve çip üzerinde laboratuvar) ve sağlık sistemleri (örneğin, ilaç dağıtım kapsülleri, biyopsi araçları ve cerrahi cihazlar) dahil olmak üzere çeşitli alanlarda uygulanabilmesi beklenmektedir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Uyaranlara duyarlı yumuşak tutucu üç farklı hidrojel türünden oluşuyordu: uyaranlara duyarlı olmayan akrilamid (AAm) bazlı hidrojel, termal olarak duyarlı N-izopropil akrilamid (NIPAM) bazlı hidrojel ve manyetik duyarlı ferrogel (Şekil 1). Üç hidrojel mürekkep, daha önce yayınlanan yöntemler 29,30,31 değiştirilerek hazırlandı. Bu çalışmada sunulan veriler sorumlu yazarın talebi üzerine temin edilebilir.
1. Hidrojel mürekkeplerin hazırlanması
- Uyaranlara yanıt vermeyen AAm bazlı hidrojel mürekkepler (Şekil 1A)
- Akrilamid (AAm), çapraz bağlayıcı N, N'-metilenebisakrilamid (BIS) ( Malzeme Tablosuna bakınız) ve fotobaşlatıcı 2-Hidroksi-4'-(2-hidroksietoksi)-2-metilpropiofenonu ( bkz. Malzeme Tablosu) 24 saat boyunca manyetik bir karıştırıcı kullanarak damıtılmış (DI) suda seyreltin.
- Kesme inceltici ajanı, laponit RD nanokil ve floresein O-metakrilat boyasını (bakınız Malzeme Tablosu) 1.150 rpm'de tamamen seyreltene kadar en az 6 saat boyunca vorteksleyin.
- Toplam 20 mL çözelti tabanı başına AAm bazlı hidrojel mürekkebin özgül ağırlıklarını hazırlayın: 1.576 g AAm, 0.332 g BIS, 1.328 g laponit RD, 0.166 g fotobaşlatıcı, 0.1 mg NaOH, 0.1 mg floresein O-metakrilat (bkz.
- Tamamen seyreltmeden sonra, AAm bazlı hidrojel mürekkebi bir şırınga kullanarak boş bir 3D baskı kartuşuna aktarın ( bkz.
- Uyaranlara duyarlı NIPAM bazlı hidrojel mürekkepler (Şekil 1B)
- N-izopropil akrilamid (NIPAM), poli N-izopropil akrilamid (PNIPAM) ve fotobaşlatıcıyı (bkz. Malzeme Tablosu) 24 saat boyunca manyetik bir karıştırıcı kullanarak DI suda seyreltin.
- Vorteks, kesme inceltici ajan, laponit RD nanokil ve floresein rodamin 6G boyasını 1.150 rpm'de tamamen seyreltene kadar en az 6 saat boyunca denetleyin.
- Toplam 20 mL çözelti tabanı başına NIPAM bazlı hidrojel mürekkebin özgül ağırlıklarını hazırlayın: 1.692 g NIPAM, 0.02 g pNIPAM, 1.354 g laponit RD, 0.034 g fotobaşlatıcı, 0.1 mg rodamin 6G (bkz. Malzeme Tablosu) ve 16.92 g DI su.
- Tamamen seyreltmeden sonra, NIPAM bazlı hidrojel mürekkebi bir şırınga kullanarak boş bir 3D baskı kartuşuna aktarın.
- Ferrogel mürekkepleri (Şekil 1C)
- A-çözeltisini hazırlayın: DI suyunda akrilamid (AAm) ve çapraz bağlayıcı, N, N'-metilenebisakrilamid (BIS), ferrik oksit (Fe2O3) ve N, N, N', N'-tetrametiletiletilendiamin (TMEDA) (bkz.
- Malzemelerin özgül ağırlık yüzdesini (ağırlıkça) göz önünde bulundurun: 10 μL TMEDA hızlandırıcı ile1,2mL DI suyunda% 71 AAm,% 3,5 BIS ve% 25,5 Fe 2 O3 .
- B-çözeltisini hazırlayın: 10 mL DI suda 0.8 g amonyum persülfatı (APS, Malzeme Tablosuna bakınız) seyreltin.
- Polimerizasyon için, A-çözeltisinin 200 μL'sini ve B-çözeltisinin 5 μL'sini bir mikrosantrifüj tüpüne aktarın.
- 20 s için mikrosantrifüj tüpünü vorteks.
2. Yumuşak hibrit tutucu tasarımının optimizasyonu
NOT: Eliptik yumuşak hibrit tutucu, AAm bazlı bir hidrojel dış katman, bir NIPAM bazlı bir hidrojel iç katmanı ve bir ferrogel üst katmanından oluşur (Şekil 1D). Genel eliptik yumuşak hibrit tutucu, AutoCAD yazılımı kullanılarak oluşturulmuştur (bkz.
- İki boyutlu AAm bazlı hidrojel katman tasarımı
- En dış kısımda 24 mm'lik dikey bir eksene ve 20 mm'lik yatay bir eksene sahip eliptik bir şekil çizin.
- Adım 2.1.1'de çizilen şekille aynı merkez noktasına sahip 20,8 mm'lik dikey eksenli ve 16,8 mm'lik yatay eksenli başka bir eliptik şekil çizin.
- Elipsin merkez noktasından (-8.24, 2), (0, 6) ve (8.24, 2) noktalardan geçen üç noktalı bir yay çizin.
- Tutulmanın küçük üst kısmını yay ile bölünerek kesin.
- İki boyutlu NIPAM bazlı hidrojel katman tasarımı
- Adım 2.1.1'de çizilen şekille aynı merkez noktasına sahip 20,2 mm'lik dikey eksenli ve 16,4 mm'lik yatay eksenli bir oval çizin.
- Adım 2.1.1'de çizilen şekille aynı merkez noktasına sahip 16,16 mm dikey eksenli ve 13,12 mm'lik yatay eksenli bir elips çizin.
- Elipsin merkez noktasından (-7.86, 1.83), (0, 5.6) ve (7.86, 1.83) noktalardan geçen üç noktalı bir yay çizin.
- Elipsin merkez noktasından (-5.47, 1.64), (0, 3.18) ve (5.47, 1.64) noktalardan geçen üç noktalı bir yay çizin.
- Elipslerin küçük üst kısmını yaylarla bölünerek kesin.
- Bir kaide yapmak için, merkez noktasından iki nokta uzakta (-4.75, -2.71) ve (4.75, -2.71) hem uç nokta olarak hem de merkez noktadan bir nokta uzakta (0, -4.59) bir nokta uzaklıkta bir yay çizin.
- İki boyutlu ferrogel katman tasarımı
- Elipsin merkez noktasından (-7, 4.92), (0, 9.2) ve (7, 4.92) noktalardan geçen üç noktalı bir yay çizin.
- Elipsin merkez noktasından (-7, 4.92), (0, 7.6) ve (7, 4.92) noktalardan geçen üç noktalı bir yay çizin.
- İki boyutlu tutucu ucu tasarımı
- Tutucunun kavrama kısmını yapmak için, elipsin altındaki merkez çizgisinden her iki taraftan 0,8 mm kesin.
- Üç boyutlu hibrit tutucu tasarımı
- Genel 2D hibrit tutucu tasarımını 3D'ye dönüştürmek için, duyarlı jelin kaidesini 0,8 mm ekstrüzyon yapın ve duyarlı olmayan jeli, duyarlı jelin kesilmiş ovalini, ferrogel'i 2,5 mm ekstrüzyon yapın.
3. Yumuşak hibrit tutucunun üç boyutlu baskısı
- Slic3r yazılımı kullanılarak adım 2'de oluşturulan her yapı için 0,4 mm katman yüksekliğine, 10 mm−1 baskı hızına ve %75 dolgu yoğunluğuna sahip bir G kodu 30 oluşturun (bkz. Çift yazıcı kafası kullanarak G kodu dosyasını düzenleyin.
- G kodu dosyasını güvenli bir dijital (SD) karta kaydedin ve yumuşak tutucunun yazdırma yollarını oluşturmak için 3B yazıcıya bağlayın (bkz.
- 3D yazıcıya bir hava pompası basınç kontrolü bağlayın.
- NIPAM bazlı hidrojel ve AAm bazlı hidrojel için sırasıyla 0,25 mm ve 0,41 mm çaplarına sahip nozul uçlarını seçin.
- AAm tabanlı hidrojel kartuşu nozul 1'e ve NIPAM tabanlı hidrojel kartuşu nozul 2'ye bağlayın.
- Kartuşların iki yazıcı kafasının z ekseninde aynı konumda olup olmadığını kontrol edin.
- İki nozul arasındaki yanlış hizalamaları önlemek için X ve Y koordinatlarını hassas bir şekilde kalibre edin.
- Baskı basıncını AAm bazlı hidrojel için 20-25 KPa'ya ve NIPAM bazlı hidrojel için 10-15 KPa'ya ayarlayın.
- Her örnek tamamen yazdırıldığında 3.5-3.8 arasındaki adımları yineleyin (Şekil 2A).
4. Yumuşak hibrit tutucunun UV fotokürlenmesi
- UV fotokürlemeden önce, manyetik alana duyarlı ferrogel mürekkeplerini (adım 1.3'te hazırlanan) bir şırınga kullanarak 3D baskılı yumuşak tutucunun hedeflenen ince delikli alanına enjekte edin.
- Ferrojelin enjeksiyonundan sonra, tutucu yapısını 6 dakika boyunca 365 nm dalga boyuna sahip bir UV kaynak odasına yerleştirin. UV ışığının yoğunluğunu 4,9 mJ/sn'de sabitleyin.
- UV fotokürlemeden sonra, tutucu yapısını tamamen şişmiş bir denge durumuna ulaşana kadar en az 24 saat boyunca bir DI su banyosuna aktarın (Şekil 2B-D).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
NIPAM bazlı hidrojel, keskin LCST'si nedeniyle termal olarak duyarlı yumuşak tutucuyu tasarlarken öncelikle dikkate alındı ve bu da önemli şişme-şişme giderme özellikleri sergilemesine neden oldu 9,10. Ek olarak, AAm bazlı hidrojel, çoklu ısıtma ve soğutma işlemleri sırasında arayüzün delaminasyonunu azaltırken, yumuşak hibrit tutucunun şekil dönüşümünü en üst düzeye çıkarmak için uyaranlara duyarlı olmayan bir sistem olarak kabul edildi. Buna ek olarak, ferrogel manyetik alan tahrikli hareketin bağlı olmayan kontrolü için manyetik alana duyarlı yumuşak hibrit bir tutucu oluşturmak için bu hibrit sisteme entegre edildi. Özellikle, ferrogel mürekkep enjeksiyonu, NIPAM bazlı hidrojel yapısından ayrılmayı önlemek için polimerizasyondan önce yapılmalıdır.
Termal olarak duyarlı açma ve kapama işleminin çalıştırılması, öncelikle hibrit tutucunun optimum geometrisini belirlemek için düşünülmüştür. Başlangıçta, NIPAM bazlı ve AAm bazlı hidrojellerin şişmesi ve şişmesi, oda sıcaklığından 60 ° C'ye kadar olan çap değişimlerini ölçerek değerlendirildi. Şişme gücünün bu doğrulamasına dayanarak, AAm bazlı hidrojel yapısal tabakanın dış kısmına yerleştirildi ve NIPAM bazlı hidrojel duyarlı tabakanın içine yerleştirildi. Bu çalışma, hibrit tutucunun dairesel ve eliptik geometriler gibi birkaç farklı yapısının kavrama işlevini doğruladı. Spesifik olarak, içinde düz bir NIPAM tabanlı plaka bulunan genel bir eliptik şekil, cihazın iyi kavramasını ve toplama ve yerleştirme görevleri sırasında düşürmeden hedefleri güvenli bir şekilde tutmasını sağlamak için şişme şişme giderme gücünü artırmak için seçildi. Ek olarak, hibrit tutucunun hassas manyetik duyarlı hareketini entegre etmek için eliptik yapının üzerine simetrik hilal şeklinde bir ferrogel alanı tasarlanmıştır.
Hibrit tutucu, yol odaklı bir katkı maddesi 3D baskı yöntemi kullanılarak üretilmiştir (Şekil 3). İlk olarak, AAm bazlı hidrojel, tutucunun dış kısmına yapı destekleyici bir tabaka olarak basılmıştır (Şekil 3A) ve daha sonra NIPAM bazlı hidrojel, uyaranlara duyarlı bir tabaka olarak iç kısımda basılmıştır (Şekil 3B). Daha sonra, ferrogel hibrid tutucunun üstündeki kuyuya enjekte edildi (Şekil 3C). Çift 3D baskı ve enjeksiyon işlemlerinin ilk adımı için, sentezlenmiş AAm bazlı ve NIPAM bazlı hidrojeller, havanın içeri girmesine izin vermemek için dikkatlice boş bir 3D kartuşa aktarıldı. AAm bazlı yapısal hidrojel tabakasına tam olarak bağlanmak için ferrogel enjeksiyonu, kabarcıkları önlemek için dikkatlice yapılmalıdır.
Baskı basıncı, hız, nozul çapı ve mürekkep bileşimi gibi çeşitli yazdırma parametreleri, en uygun 3D baskı koşullarını belirlemek için doğrulandı. Mürekkeplerin viskoelastik özelliklerinin, hassas baskı ve UV kürleme prosesleri elde etmek için en önemli parametreler olduğunu gözlemledik. Viskoelastik özellikler esas olarak saf inceltme maddesinin (örneğin, laponit RD) ağırlık oranı ile belirlenir. Mürekkep çözümlerinin uygun reolojik özelliklerini belirlemek için, kesme inceltme maddesinin hassas baskı ve baskıdan sonra ve UV kürleme işleminden önce hızlı katılaşma için ayarlanması önemlidir. Ek olarak, AAm tabanlı ve NIPAM tabanlı hidrojel katmanlarının, 3D baskı işlemi sırasında aralarında örtüşme veya boşluk olmadan hassas bir şekilde bağlanması gerekiyordu. Çift 3D baskı işlemi sırasında X-Y yönlerinde küçük bir yanlış hizalama ve Z yönünde bir ofset, nihai yapıda önemli hatalara neden olabilir. Herhangi bir yanlış hizalama gözlenirse, X ve Y yönlerinin G kodundaki Z yönünde bir ofset ile önceden ayarlanmış konumlandırılması, çift yazıcı kafası mükemmel bir şekilde hizalanana kadar her yazdırma adımında yeniden hizalanmalıdır. Hatasız hassas bir şekilde hizalanmış tutucu yapıları elde etmek için, her yapının merkezini korumak için dört köşeye küçük küp şeklinde kalibrasyon işaretçileri yerleştirildi.
Yumuşak hibrit kavrayıcı, termal olarak duyarlı çalıştırma ve manyetik hareket yoluyla bir alma ve yerleştirme görevi gerçekleştirdi. Başlangıçta, yumuşak hibrit kavrayıcının termal olarak duyarlı çalıştırılması gözlendi. Sıcaklık düşük kritik çözelti sıcaklığının (LCST) üzerine çıktığında, NIPAM bazlı jel küçüldü ve NIPAM bazlı hidrojelin şişmesi nedeniyle tutucu ucu kapandı. Buna karşılık, yumuşak hibrit tutucunun tutucu ucu, NIPAM bazlı hidrojelin şişmesi nedeniyle sıcaklık LCST'nin altına düştüğünde açıldı (Şekil 4A). Ek olarak, ferrogel'in dahil edilmesinin, sıcaklık değişimleri sırasında yumuşak hibrit tutucunun katlanmasını etkilemediğini doğruladık.
Bir 3D yazıcı kullanan basit bir labirent üretildi, DI suyuyla dolduruldu ve sıcak bir plakaya yerleştirildi. Tamamen şişmiş yumuşak hibrit tutucu daha sonra labirentin başlangıç konumuna ucu açık bir durumda yerleştirildi ve somon karaca hedef bölgeye yerleştirildi. Yumuşak hibrit tutucu, somon karacasına ulaşana kadar harici bir mıknatıs kullanılarak yönlendirildi. Daha sonra, yumuşak hibrit kavrayıcının ucu, sıcaklık 40 ° C'ye ulaştığında somon karacasını kavramak için kapandı. Son olarak, yumuşak melez kavrayıcı, somon karacasını tutarken labirentten çıkarıldı ve daha sonra somon karacasını hedef bölgede 25 ° C'lik bir oda sıcaklığında uç-açık bir durumda serbest bıraktı (Şekil 4B). Somon karacası, tüm toplama ve yerleştirme görevi boyunca herhangi bir hasar görmeden şeklini korudu. Ek olarak, manyetik duyarlı hareket sırasında yumuşak hibrit tutucuyu yönlendirmek için neodimyum mıknatıslar kullanıldı.
Resim 1: Hidrojel hazırlama ve yumuşak hibrit tutucu tasarımı . (A) AAm bazlı hidrojel. (B) NIPAM bazlı hidrojel. (C) Ferrogel mürekkepleri. (D) AutoCAD ve Slic3r yazılımı kullanılarak yapılan yumuşak hibrit tutucu tasarımı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Yumuşak hibrit tutucunun 3D baskısı için üretim süreci . (A) AAm bazlı hidrojel ve NIPAM bazlı hidrojel mürekkeplerle çift baskı modu. (B) Ferrogel tabakası. (C) UV fotokürleme. (D) DI suyundaki denge durumu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3. Yumuşak hibrit tutucunun imalatı. (A) Dış uyaranlara yanıt vermeyen Aam bazlı hidrojel tabakası. (B) İç uyaranlara duyarlı NIPAM bazlı hidrojel tabakası. (C) Ferrogel tabakası. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4. Yumuşak hibrit tutucunun çalıştırılması ve hareket ettirilmesi. (A) Yumuşak hibrit tutucunun termal olarak duyarlı çalıştırılması. (B) Yumuşak hibrit tutucu ile alma ve yerleştirme görevlerinin gösterilmesi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Yumuşak hibrit tutucu için malzeme seçimi açısından, uyaranlara duyarlı olmayan AAm bazlı bir hidrojel, termal olarak duyarlı bir NIPAM bazlı hidrojel ve manyetik duyarlı bir ferrogelden oluşan çok duyarlı bir malzeme sistemi, ilk olarak yumuşak hibrit tutucunun programlanabilir hareket ve şekil dönüşümü sergilemesine izin vermek için hazırlanmıştır. Termal olarak duyarlı şişme-şişme giderme özellikleri nedeniyle, NIPAM bazlı hidrojeller, AAm bazlı hidrojeller gibi farklı şişme özelliklerine sahip hidrojellere sahip çift katmanlı veya çift şeritli yapılar olarak imal edildiğinde bükülme, katlanma veya buruşma sergiler1. Ek olarak, hidrojeller, demir oksit (Fe2O3) nanopartikülleri gömülerek manyetik olarak duyarlı olacak şekilde tasarlanabilir. Daha da önemlisi, bu Fe2O3 entegre akrilamid bazlı ferrogel, yumuşak robot manyetik alan tahrikli hareketi kolaylaştırmak için manyetik tepkinin sağlanmasında önemli bir rol oynayabilir. Özellikle, manyetik olarak duyarlı hidrojellerin, dinamik olarak dağınık ortamlarda daha az invaziv yaklaşımlar sağlayacak olan bağlanmamış hidrojel tabanlı yumuşak robotik sistemlerde kullanılması önerilmiştir32.
Daha da önemlisi, yumuşak hibrit tutucu, üç hidrojel arasında iyi bir yapışma gerektiriyordu. Yapışma zayıf olduğunda, hidrojeller arasındaki arayüz, dış tetikleyicilere yanıt olarak tekrarlanan şişme ve şişme sırasında delamine edilecektir. Özellikle, yumuşak hibrit tutucunun tekrarlanan termal ve manyetik olarak duyarlı manipülasyonu ve hareketi altında iyi yapışmayı sağlamak için akrilamid bazlı hidrojeller tanıtıldı. Ek olarak, termal olarak duyarlı NIPAM bazlı ve uyaranlara yanıt vermeyen AAm bazlı hidrojellerin şişmesi ve şişmesi, yumuşak hibrit tutucunun bükülme derecesini tahmin etmek için doğrulanmıştır. Hidrojel şişmesi (örneğin, Flory-Huggins modeli) ve mekaniği (örneğin, Neo-Hookean modeli) ile termodinamik çerçeveye dayanan bir simülasyon modelinin, şişme ve sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bükülme derecesinin belirlenmesinde yardımcı olabileceği belirtilmelidir8. Tutucu katlamanın bu deneysel ve teorik karakterizasyonlarına dayanarak, iç kısım için termal olarak duyarlı bir NIPAM bazlı hidrojel tabakası seçildi ve dış kısım için, kavrama uçlarının artan sıcaklıklarla merkeze bükülmesine izin vermek için uyaranlara duyarlı olmayan AAm bazlı bir hidrojel tabakası seçildi.
Yumuşak hibrit tutucunun üretimi açısından, dört boyutlu (4D) zamana bağlı baskı sürecimiz, milimetreden santimetreye kadar geniş bir boyut aralığına sahip çeşitli uyaranlara duyarlı yumuşak robotlar oluşturmak için kullanılabilir. Son zamanlarda, 4D baskı ve uyaranlara duyarlı akıllı malzemelerin kombinasyonu, uygun bir uyaran kaynağına maruz kaldığında şekil değiştirebilen akıllı 3D yapılar geliştirmek için yeni bir yol sağlamıştır. Programlanabilir uyaranlara duyarlı bir hidrojel kullanan 4D baskı tekniğinin yanı sıra, uyaranlara duyarlı malzemelerin çeşitli 3D baskı yolları, değişen kavisli, haddelenmiş, katlanmış veya helisel yapıları gösteren farklı nihai şişmiş geometriler sunabilir26. Bu yenilikçi 4D baskı stratejisinin geliştirilmesi, akıllı uyaranlara duyarlı yumuşak robotlar oluşturmak için önemli ölçeklenebilirliği ve üretilebilirliği nedeniyle önemli ölçüde dikkat çekmiştir.
Bununla birlikte, çeşitli hidrojellerin 4D baskısı, üstesinden gelinmesi gereken çeşitli zorluklar gerektirir. İlk olarak, 4D baskılı hidrojellerin şekil değiştirilebilir çalıştırılması için tepki süresi oldukça yavaştır. Tepki süresini iyileştirmek için fonksiyonel malzemelerle (örneğin, nanopartiküller, düşük boyutlu malzemeler, sıvı kristaller ve hatta biyolojik DNA'lar) entegre hidrojel bileşiminin daha fazla ince ayarlanması gerekmektedir. Ek olarak, Z yönünün konumlandırma kalibrasyonu ve X-Y yönlerinin hizalaması, ikili baskı işlemi sırasında her adımda iki kez kontrol edilmelidir. Herhangi bir yanlış hizalama olmadan sürekli bir yazdırma işlemi elde etmek için, G kodu dosyalarındaki X, Y ve Z yönlerindeki önceden ayarlanmış değerlerin, yazıcı kafaları mükemmel bir şekilde hizalanana kadar iki kez kontrol edilmesi ve birden çok kez tekrarlanması gerekir.
Uygulama açısından bakıldığında, bu makale, alma ve yerleştirme görevlerini aktif olarak gerçekleştiren termal ve manyetik olarak duyarlı yumuşak hibrit tutucuları tanıtmaktadır. Bir nesneyi güvenli bir şekilde kavramak ve güvenli bir şekilde tutmak için sıralı süreç, yumuşak robotikte kritik öneme sahiptir. Uyaranlara duyarlı yumuşak kavrayıcı, dış uyaran açma-kapama işlemine göre nesneleri daha az invaziv veya invaziv olmayan bir şekilde tam olarak kavrayabilen ve serbest bırakabilen akıllı bir manipüle sistemi geliştirme olasılığını göstermiştir32. Daha yakın zamanlarda, doğru alma ve yerleştirme görevleri için yumuşak bir kavrayıcının otomatik hareketini sağlamak için, ultrason görüntüsü geri bildirimi ile birleştirilmiş gradyan manyetik alan sistemleri paralelolarak geliştirilmiştir 33. Hala kavramsal düzeyde olmasına rağmen, yumuşak uyaranlara duyarlı hibrit bir tutucunun 4D baskısı için bu özel protokolün, hassas bir şekilde kontrol edilebilir, son derece hassas ve çok işlevli akıllı uyaranlara duyarlı yumuşak robotların geliştirilmesinde daha önemli ilerlemeler için bir temel oluşturacağını umuyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Acknowledgments
Yazarlar, Kore hükümeti (MSIT) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibesinin (No.2022R1F1A1074266) desteğini minnetle kabul etmektedir.
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 |
References
- Gracias, D. H. Stimuli responsive self-folding using thin polymer films. Current Opinion in Chemical Engineering. 2 (1), 112-119 (2013).
- Zhang, Y. S., Khademhosseini, A.
- Erol, O., Pantula, A., Liu, W., Gracias, D. H.
- Liu, X., Liu, J., Lin, S., Zhao, X.
- Hu, Z., Zhang, X., Li, Y. Synthesis and application of modulated polymer gels. Science. 269 (5223), 525-527 (1995).
- Klein, Y., Efrati, E., Sharon, E. Shaping of elastic sheets by prescription of non-Euclidean metrics. Science. 315 (5815), 1116-1120 (2007).
- 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).
- Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (5), 3398-3405 (2015).
- Schild, H. G. Poly (N-isopropylacrylamide): Experiment, theory and application. Progress in Polymer Science. 17 (2), 163-249 (1992).
- Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. -C., Sharma, N., Zhou, Y.
- Stuart, M. A., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).
- Ionov, L.
- Ghosh, A., et al. Stimuli-responsive soft untethered grippers for drug delivery and robotic surgery. Frontiers in Mechanical Engineering. 3, 7 (2017).
- Kirillova, A., Ionov, L. Shape-changing polymers for biomedical applications. Journal of Materials Chemistry B. 7, 1597-1624 (2019).
- Le, X., Lu, W., Zhang, J., Chen, T. Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators. Advanced Science. 6 (5), 1801584 (2019).
- Xu, W., Gracias, D. H. Soft three-dimensional robots with hard two-dimensional materials. ACS Nano. 13 (5), 4883-4892 (2019).
- Yoon, C. K. Advances in biomimetic stimuli responsive soft grippers. Nano Convergence. 6, 20 (2019).
- Lee, Y., Song, W. J., Sun, J. Y.
- 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).
- Kim, H., et al. Shape morphing smart 3D actuator materials for micro soft robot. Materials Today. 41, 243-269 (2020).
- 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).
- 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).
- Bartlett, N. W., et al. A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion. Science. 349 (6244), 161-165 (2015).
- Wehner, M., et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature. 536, 451-455 (2016).
- Tibbits, S. 4D printing: Multi-material shape change. Architectural Design. 84 (1), 116-121 (2014).
- Gladman, A. S., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L., Lewis, J. A.
- Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J.
- Ionov, L. 4D biofabrication: Materials, methods, and applications. Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 1800412 (2018).
- Liu, J., et al. Dual-gel 4D printing of bioinspired tubes. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (8), 8492-8498 (2019).
- Son, H., et al. Untethered actuation of hybrid hydrogel gripper via ultrasound. ACS Macro Letters. 9 (12), 1766-1772 (2020).
- Ding, Z., Salim, A., Ziaie, B. Squeeze-film hydrogel deposition and dry micropatterning. Analytical Chemistry. 82 (8), 3377-3382 (2010).
- Ongaro, F., et al. Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments. Journal of Micro-Bio Robotics. 12, 45-52 (2017).
- 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).
