Summary
Este manuscrito describe una estrategia de impresión 4D para fabricar robots blandos inteligentes sensibles a estímulos. Este enfoque puede proporcionar la base para facilitar la realización de sistemas robóticos blandos inteligentes transformables en forma, incluidos manipuladores inteligentes, electrónica y sistemas de atención médica.
Abstract
El presente protocolo describe la creación de robots blandos cuatridimensionales (4D), dependientes del tiempo, cambiantes y sensibles a estímulos utilizando un método de bioimpresión tridimensional (3D). Recientemente, las técnicas de impresión 4D se han propuesto ampliamente como nuevos métodos innovadores para desarrollar robots blandos transformables en forma. En particular, la transformación de la forma 4D dependiente del tiempo es un factor esencial en la robótica blanda porque permite que las funciones efectivas ocurran en el momento y lugar adecuados cuando se activan por señales externas, como el calor, el pH y la luz. En línea con esta perspectiva, se pueden imprimir materiales sensibles a estímulos, incluidos hidrogeles, polímeros e híbridos, para realizar sistemas robóticos blandos inteligentes transformables en forma. El protocolo actual se puede utilizar para fabricar pinzas blandas térmicamente sensibles compuestas de hidrogeles a base de N-isopropilacrilamida (NIPAM), con tamaños totales que van desde milímetros hasta centímetros de longitud. Se espera que este estudio proporcione nuevas direcciones para realizar sistemas robóticos blandos inteligentes para diversas aplicaciones en manipuladores inteligentes (por ejemplo, pinzas, actuadores y máquinas de recoger y colocar), sistemas de atención médica (por ejemplo, cápsulas de medicamentos, herramientas de biopsia y microcirugías) y electrónica (por ejemplo, sensores portátiles y fluidos).
Introduction
El desarrollo de robots blandos sensibles a estímulos es importante tanto desde el punto de vista técnico como intelectual. El término robots blandos sensibles a estímulos generalmente se refiere a dispositivos / sistemas compuestos de hidrogeles, polímeros, elastómeros o híbridos que exhiben cambios de forma en respuesta a señales externas, como calor, pH y luz 1,2,3,4. Entre los muchos robots blandos sensibles a estímulos, los robots blandos basados en hidrogel de N-isopropilacrilamida (NIPAM) realizan las tareas o interacciones deseadas utilizando la transformación espontánea de formas 5,6,7,8. En general, los hidrogeles basados en NIPAM exhiben una baja temperatura crítica de solución (LCST), y la hinchazón (hidrofilicidad por debajo del LCST) y la deshinchazón (hidrofobicidad por encima del LCST) ocurren cambios en las propiedades dentro del sistema de hidrogel cerca de temperaturas fisiológicas entre 32 °C y 36 °C 9,10. Este mecanismo reversible de hinchamiento-hinchamiento cerca del punto crítico de transición agudo del LCST puede generar la transformación de la forma de los robots blandos de hidrogel basados en NIPAM2. Como resultado, los robots blandos de hidrogel basados en NIPAM térmicamente sensibles han mejorado las operaciones, como caminar, agarrar, gatear y detectar, que son importantes en manipuladores multifuncionales, sistemas de atención médica y sensores inteligentes 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
En la fabricación de robots blandos sensibles a estímulos, los enfoques de impresión tridimensional (3D) se han empleado ampliamente utilizando un proceso aditivo directo capa por capa22. Una variedad de materiales, como plásticos e hidrogeles blandos, se pueden imprimir con impresión3D 23,24. Recientemente, la impresión 4D ha sido ampliamente destacada como una técnica innovadora para crear robots blandos programables con forma25,26,27,28. Esta impresión 4D se basa en la impresión 3D, y la característica clave de la impresión 4D es que las estructuras 3D pueden cambiar sus formas y propiedades con el tiempo. La combinación de impresión 4D e hidrogeles sensibles a estímulos ha proporcionado otra ruta innovadora para crear dispositivos 3D inteligentes que cambian de forma con el tiempo cuando se exponen a desencadenantes de estímulos externos apropiados, como calor, pH, luz y campos magnéticos y eléctricos25,26,27,28 . El desarrollo de esta técnica de impresión 4D utilizando diversos hidrogeles sensibles a estímulos ha brindado una oportunidad para la aparición de robots blandos transformables en forma que muestran multifuncionalidad con velocidades de respuesta mejoradas y sensibilidad de retroalimentación.
Este estudio describe la creación de una pinza suave térmicamente sensible impulsada por impresión 3D que muestra la transformación de la forma y la locomoción. En particular, el procedimiento específico descrito se puede utilizar para fabricar varios robots blandos multifuncionales con tamaños totales que van desde las escalas de longitud milimétrica a centimétrica. Finalmente, se espera que este protocolo se pueda aplicar en varios campos, incluidos robots blandos (por ejemplo, actuadores inteligentes y robots de locomoción), electrónica flexible (por ejemplo, sensores optoeléctricos y lab-on-a-chip) y sistemas de atención médica (por ejemplo, cápsulas de administración de medicamentos, herramientas de biopsia y dispositivos quirúrgicos).
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Protocol
La pinza suave sensible a estímulos estaba compuesta por tres tipos diferentes de hidrogeles: hidrogel a base de acrilamida (AAm) no sensible a estímulos, hidrogel a base de N-isopropil acrilamida (NIPAM) térmicamente sensible y ferrogel sensible magnético (Figura 1). Las tres tintas de hidrogel fueron preparadas modificando métodos previamente publicados 29,30,31. Los datos presentados en este estudio están disponibles a petición del autor correspondiente.
1. Preparación de tintas de hidrogel
- Tintas de hidrogel basadas en AAm que no responden a estímulos (Figura 1A)
- Diluir la acrilamida (AAm), el reticulante N, N'-metilenbisacrilamida (BIS) (ver Tabla de materiales) y el fotoiniciador 2-hidroxi-4'-(2-hidroxietoxi)-2-metilpropiofenona (ver Tabla de materiales) en agua destilada (DI) usando un agitador magnético durante 24 h.
- Vortex el agente adelgazante de cizallamiento, la nanoarcilla RD de laponita y el colorante fluoresceína O-metacrilato (consulte la Tabla de materiales) a 1.150 rpm durante al menos 6 h hasta que se diluyan por completo.
- Prepare pesos específicos de tinta de hidrogel a base de AAm por total de 20 ml de base de solución: 1,576 g de AAm, 0,332 g de BIS, 1,328 g de laponita RD, 0,166 g de fotoiniciador, 0,1 mg de NaOH, 0,1 mg de fluoresceína O-metacrilato (ver Tabla de materiales) y 16,594 g de agua DI.
- Después de la dilución total, transfiera la tinta de hidrogel a base de AAm a un cartucho de impresión 3D vacío (consulte la Tabla de materiales) utilizando una jeringa.
- Tintas de hidrogel a base de NIPAM sensibles a estímulos (Figura 1B)
- Diluir la N-isopropil acrilamida (NIPAM), la poli N-isopropil acrilamida (PNIPAM) y el fotoiniciador (ver Tabla de materiales) en agua DI usando un agitador magnético durante 24 h.
- Vortex el agente adelgazante de cizallamiento, la nanoarcilla RD de laponita y el colorante 6G de rodamina fluoresceína a 1.150 rpm durante al menos 6 h hasta que se diluyan por completo.
- Prepare pesos específicos de tinta de hidrogel a base de NIPAM por total de 20 ml de base de solución: 1.692 g de NIPAM, 0.02 g de pNIPAM, 1.354 g de laponita RD, 0.034 g de fotoiniciador, 0.1 mg de rodamina 6G (ver Tabla de materiales) y 16.92 g de agua DI.
- Después de la dilución completa, transfiera la tinta de hidrogel a base de NIPAM a un cartucho de impresión 3D vacío con una jeringa.
- Tintas Ferrogel (Figura 1C)
- Prepare la solución A: acrilamida diluida (AAm) y reticulante, N, N'-metilenbisacrilamida (BIS), óxido férrico (Fe2O3) y N, N, N', N'-tetrametiletilendiamina (TMEDA) (ver Tabla de materiales) en agua DI.
- Considere el porcentaje de peso específico (peso %) de los materiales: 71% AAm, 3.5% BIS y 25.5% Fe 2 O3 en1.2mL de agua DI con 10 μL de acelerador TMEDA.
- Prepare la solución B: Diluya 0,8 g de persulfato de amonio (APS, consulte la Tabla de materiales) en 10 ml de agua DI.
- Para la polimerización, transferir 200 μL de la solución A y 5 μL de la solución B a un tubo de microcentrífuga.
- Vórtice el tubo de microcentrífuga durante 20 s.
2. Optimización del diseño de la pinza híbrida suave
NOTA: La pinza híbrida suave elíptica está compuesta por una capa externa de hidrogel a base de AAm, una capa interna de hidrogel a base de NIPAM y una capa superior de ferrogel (Figura 1D). La pinza híbrida blanda elíptica general se creó utilizando el software AutoCAD (consulte la Tabla de materiales).
- Diseño bidimensional de capa de hidrogel basado en AAm
- Dibuja una forma elíptica con un eje vertical de 24 mm y un eje horizontal de 20 mm en la parte más externa.
- Dibuje otra forma elíptica con un eje vertical de 20,8 mm y un eje horizontal de 16,8 mm con el mismo punto central que la forma dibujada en el paso 2.1.1.
- Dibuja un arco de tres puntos que pase a través de los puntos (−8.24, 2), (0, 6) y (8.24, 2) lejos del punto central de la elipse.
- Recorta la pequeña parte superior del eclipse dividida por el arco.
- Diseño bidimensional de capa de hidrogel basado en NIPAM
- Dibuje un óvalo con un eje vertical de 20,2 mm y un eje horizontal de 16,4 mm con el mismo punto central que la forma dibujada en el paso 2.1.1.
- Dibuje una elipse con un eje vertical de 16,16 mm y un eje horizontal de 13,12 mm con el mismo punto central que la forma dibujada en el paso 2.1.1.
- Dibuja un arco de tres puntos que pase a través de los puntos (−7.86, 1.83), (0, 5.6) y (7.86, 1.83) lejos del punto central de la elipse.
- Dibuja un arco de tres puntos que pase a través de los puntos (−5.47, 1.64), (0, 3.18) y (5.47, 1.64) lejos del punto central de la elipse.
- Recorta la pequeña parte superior de las elipses dividida por los arcos.
- Para hacer un pedestal, dibuja un arco con dos puntos lejos del punto central en (−4.75, −2.71) y (4.75, −2.71) como ambos puntos finales y un punto lejos del punto central en (0, -4.59).
- Diseño bidimensional de capa de ferrogel
- Dibuja un arco de tres puntos que pase a través de los puntos (−7, 4.92), (0, 9.2) y (7, 4.92) lejos del punto central de la elipse.
- Dibuja un arco de tres puntos que pase a través de los puntos (−7, 4.92), (0, 7.6) y (7, 4.92) lejos del punto central de la elipse.
- Diseño bidimensional de puntas de pinza
- Para hacer la parte de agarre de la pinza, corte 0,8 mm de cada lado desde la línea central en la parte inferior de la elipse.
- Diseño de pinza híbrida tridimensional
- Para convertir el diseño general de la pinza híbrida 2D en 3D, extruya el pedestal del gel sensible en 0,8 mm y extruya el gel que no responde, el óvalo cortado del gel sensible y el ferrogel en 2,5 mm.
3. Impresión tridimensional de la pinza híbrida suave
- Genere un código G 30 para cada estructura creada en el paso 2 utilizando el software Slic3r (consulte Tabla de materiales) con una altura de capa de 0,4 mm, una velocidad de impresión de10 mms−1 y una densidad de relleno del 75%. Edite el archivo de código G con cabezales de impresión dobles.
- Guarde el archivo de código G en una tarjeta digital segura (SD) y conéctelo a la impresora 3D (consulte Tabla de materiales) para generar las rutas de impresión de la pinza blanda.
- Conecte un control de presión de la bomba de aire a la impresora 3D.
- Elija puntas de boquilla con diámetros de 0,25 mm y 0,41 mm para el hidrogel a base de NIPAM y el hidrogel a base de AAm, respectivamente.
- Conecte el cartucho de hidrogel a base de AAm a la boquilla 1 y el cartucho de hidrogel a base de NIPAM a la boquilla 2.
- Compruebe si los dos cabezales de impresión de los cartuchos están en la misma posición en el eje z.
- Calibre las coordenadas X e Y con precisión para evitar desalineaciones entre las dos boquillas.
- Ajuste la presión de impresión a 20-25 KPa para el hidrogel a base de AAm y a 10-15 KPa para el hidrogel a base de NIPAM.
- Repita los pasos 3.5-3.8 cuando cada muestra esté completamente impresa (Figura 2A).
4. Fotocurado UV de la pinza híbrida suave
- Antes del fotocurado UV, inyecte las tintas de ferrogel sensibles al campo magnético (preparadas en el paso 1.3) en el área de orificio delgado objetivo de la pinza suave impresa en 3D con una jeringa.
- Después de la inyección del ferrogel, coloque la estructura de la pinza dentro de una cámara de fuente UV con una longitud de onda de 365 nm durante 6 min. Fije la intensidad de la luz UV a 4,9 mJ/s.
- Después del fotocurado UV, transfiera la estructura de la pinza a un baño de agua DI durante al menos 24 h hasta que alcance un estado de equilibrio completamente hinchado (Figura 2B-D).
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Representative Results
El hidrogel a base de NIPAM se consideró principalmente al diseñar la pinza suave térmicamente sensible debido a su LCST afilado, lo que hace que exhiba propiedades significativas de hinchazón-hinchazón 9,10. Además, el hidrogel basado en AAm se consideró como un sistema que no responde a estímulos para maximizar la transformación de la forma de la pinza híbrida suave al tiempo que reduce la delaminación de la interfaz durante múltiples procesos de calentamiento y enfriamiento. Además, el ferrogel se integró en este sistema híbrido para crear una pinza híbrida suave sensible al campo magnético para el control sin ataduras de la locomoción impulsada por el campo magnético. En particular, la inyección de tinta de ferrogel debe realizarse antes de la polimerización para evitar la separación de la estructura de hidrogel basada en NIPAM.
El accionamiento de la apertura y el cierre térmicamente sensibles se consideró principalmente para determinar la geometría óptima de la pinza híbrida. Inicialmente, la hinchazón y la deshinchazón de los hidrogeles basados en NIPAM y AAm se evaluaron midiendo los cambios de diámetro de la temperatura ambiente a 60 °C. Sobre la base de esta verificación del poder de hinchamiento, el hidrogel a base de AAm se colocó en la parte externa de la capa estructural, y el hidrogel a base de NIPAM se colocó dentro de la capa sensible. Este trabajo verificó la función de agarre de varias estructuras diferentes de la pinza híbrida, como geometrías circulares y elípticas. Específicamente, se eligió una forma elíptica general con una placa plana basada en NIPAM en el interior para aumentar el poder de hinchamiento-hinchazón para permitir que el dispositivo se agarre bien y sostenga los objetivos de manera segura sin dejarlos caer durante las tareas de recoger y colocar. Además, se diseñó un área simétrica de ferrogel en forma de media luna en la parte superior de la estructura elíptica para integrar la locomoción precisa y magnética de la pinza híbrida.
La pinza híbrida se fabricó utilizando un método de impresión 3D aditivo orientado a la trayectoria (Figura 3). Primero, el hidrogel a base de AAm se imprimió en el exterior de la pinza como una capa de soporte de la estructura (Figura 3A), y luego el hidrogel a base de NIPAM se imprimió en el interior como una capa sensible a estímulos (Figura 3B). Posteriormente, se inyectó ferrogel en el pozo en la parte superior de la pinza híbrida (Figura 3C). Para el primer paso de los procesos duales de impresión e inyección en 3D, los hidrogeles sintetizados basados en AAm y NIPAM se transfirieron cuidadosamente a un cartucho 3D vacío para no dejar entrar aire. La inyección del ferrogel para conectar con precisión con la capa de hidrogel estructural basada en AAm tuvo que llevarse a cabo cuidadosamente para evitar burbujas.
Se verificaron una variedad de parámetros de impresión, como la presión de impresión, la velocidad, el diámetro de la boquilla y la composición de la tinta, para determinar las condiciones óptimas de impresión 3D. Observamos que las propiedades viscoelásticas de las tintas eran los parámetros más importantes para obtener procesos precisos de impresión y curado UV. Las propiedades viscoelásticas están determinadas principalmente por la relación en peso del agente adelgazante transparente (por ejemplo, laponita RD). Para identificar las características reológicas apropiadas de las soluciones de tinta, es esencial ajustar el agente anticizallante para una impresión precisa y una solidificación rápida después de la impresión y antes del proceso de curado UV. Además, las capas de hidrogel basadas en AAm y NIPAM tuvieron que conectarse con precisión sin superposición ni espacios entre ellas durante el proceso de impresión 3D. Una pequeña desalineación en las direcciones X-Y y un desplazamiento en la dirección Z durante el proceso de impresión 3D dual pueden dar lugar a errores significativos en la estructura final. Si se observa alguna desalineación, el posicionamiento preestablecido de las direcciones X e Y con un desplazamiento en la dirección Z en el código G debe alinearse nuevamente en cada paso de impresión hasta que los cabezales de impresión dobles estén perfectamente alineados. Para lograr estructuras de pinza alineadas con precisión sin errores, se insertaron pequeños marcadores de calibración en forma de cubo en las cuatro esquinas para preservar el centro de cada estructura.
La pinza híbrida suave realizó una tarea de recogida y colocación a través de un accionamiento térmicamente sensible y locomoción magnética. Inicialmente, se observó un accionamiento térmicamente sensible de la pinza híbrida blanda. Cuando la temperatura aumentó por encima de la temperatura inferior de la solución crítica (LCST), el gel a base de NIPAM se encogió y la punta de la pinza se cerró, debido a la hinchazón del hidrogel a base de NIPAM. Por el contrario, la punta de la pinza híbrida blanda se abrió cuando la temperatura disminuyó por debajo del LCST, debido a la hinchazón del hidrogel a base de NIPAM (Figura 4A). Además, verificamos que la incorporación de ferrogel no afectó el plegado de la pinza híbrida blanda durante los cambios de temperatura.
Se fabricó un laberinto simple con una impresora 3D, se llenó con agua DI y se colocó en una placa caliente. La pinza híbrida blanda completamente hinchada se colocó en la posición inicial del laberinto en un estado abierto de punta, y las huevas de salmón se colocaron en el área objetivo. La pinza híbrida suave fue guiada usando un imán externo hasta que llegó a las huevas de salmón. Luego, la punta de la pinza híbrida suave se cerró para agarrar las huevas de salmón cuando la temperatura alcanzó los 40 ° C. Finalmente, la pinza híbrida suave se sacó del laberinto mientras sostenía las huevas de salmón, y luego liberó las huevas de salmón en el área objetivo en un estado abierto a una temperatura ambiente de 25 ° C (Figura 4B). Las huevas de salmón mantuvieron su forma sin ningún daño durante toda la tarea de recoger y colocar. Además, se utilizaron imanes de neodimio para guiar la pinza híbrida suave durante la locomoción sensible magnéticamente.
Figura 1: Preparación de hidrogel y diseño de la pinza híbrida blanda . (A) Hidrogel a base de AAm. B) Hidrogel a base de NIPAM. (C) Tintas Ferrogel. (D) El diseño de pinza híbrida suave realizado con el software AutoCAD y Slic3r. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Proceso de fabricación para la impresión 3D de la pinza híbrida blanda . (A) Modos de impresión duales con hidrogel a base de AAm y tintas de hidrogel basadas en NIPAM. (B) Capa de Ferrogel. (C) fotocurado UV. (D) Estado de equilibrio en agua DI. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Fabricación de la pinza híbrida suave. (A) Capa exterior de hidrogel a base de Aam no sensible a estímulos. (B) Capa de hidrogel a base de NIPAM sensible a estímulos interiores. (C) Capa de Ferrogel. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Accionamiento y locomoción de la pinza híbrida blanda. (A) Accionamiento térmicamente sensible de la pinza híbrida blanda. (B) Demostración de tareas de recogida y colocación con la pinza híbrida blanda. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
En términos de selección de materiales para la pinza híbrida blanda, se preparó por primera vez un sistema de material de respuesta múltiple compuesto por un hidrogel a base de AAm que no responde a estímulos, un hidrogel basado en NIPAM térmicamente sensible y un ferrogel de respuesta magnética para permitir que la pinza híbrida suave exhiba locomoción programable y transformación de forma. Debido a sus propiedades de hinchazón-deshinchazón térmicamente sensibles, los hidrogeles a base de NIPAM exhiben flexión, plegado o arrugas cuando se fabrican como estructuras bicapa o bi-strip con hidrogeles con diferentes propiedades de hinchamiento, como los hidrogeles a base de AAm1. Además, los hidrogeles pueden diseñarse para ser magnéticamente sensibles mediante la incorporación de nanopartículas de óxido de hierro (Fe2O3). Es importante destacar que este ferrogel a base de acrilamida incorporado a Fe2O3 puede desempeñar un papel importante para permitir la capacidad de respuesta magnética para facilitar la locomoción impulsada por el campo magnético del robot blando. En particular, se ha propuesto que los hidrogeles magnéticamente sensibles se utilicen en sistemas robóticos blandos basados en hidrogel sin ataduras, lo que proporcionaría enfoques menos invasivos en entornos dinámicamente desordenados32.
Es importante destacar que la pinza híbrida suave requería una buena adhesión entre los tres hidrogeles. Cuando la adhesión es pobre, la interfaz entre los hidrogeles se deslaminará durante la hinchazón y deshinchazón repetidas en respuesta a desencadenantes externos. En particular, se introdujeron hidrogeles a base de acrilamida para garantizar una buena adhesión bajo la manipulación y locomoción repetidas térmica y magnéticamente sensibles de la pinza híbrida blanda. Además, se verificó la hinchazón y el deshinchamiento de los hidrogeles basados en NIPAM y no sensibles a estímulos a base de AAm térmicamente sensibles para anticipar el grado de flexión de la pinza híbrida blanda. Cabe señalar que un modelo de simulación basado en el marco termodinámico con hinchazón de hidrogel (por ejemplo, el modelo de Flory-Huggins) y mecánica (por ejemplo, el modelo neohookeano) puede ayudar a determinar el grado de flexión en función de la hinchazón y la temperatura8. Sobre la base de estas caracterizaciones experimentales y teóricas del plegado de la pinza, se eligió una capa de hidrogel a base de NIPAM térmicamente sensible para la parte interna, y se eligió una capa de hidrogel basada en AAm no sensible a estímulos para la parte exterior para permitir la flexión de las puntas de agarre en el centro con el aumento de las temperaturas.
En términos de fabricación de la pinza híbrida blanda, nuestro proceso de impresión cuatridimensional (4D) dependiente del tiempo se puede utilizar para crear diversos robots blandos sensibles a estímulos con un amplio rango de tamaño de milímetros a centímetros. Recientemente, la combinación de impresión 4D y materiales inteligentes sensibles a estímulos ha proporcionado una nueva ruta para desarrollar estructuras 3D inteligentes que son transformables en forma cuando se exponen a una fuente de estímulo adecuada. Junto con la técnica de impresión 4D utilizando un hidrogel programable sensible a estímulos, diversas rutas de impresión 3D de materiales sensibles a estímulos pueden presentar diferentes geometrías hinchadas finales que muestran diferentes estructuras curvas, enrolladas, plegadas o helicoidalesvariables 26. El desarrollo de esta innovadora estrategia de impresión 4D ha atraído una atención significativa debido a su importante escalabilidad y capacidad de fabricación para crear robots blandos inteligentes que respondan a estímulos.
Sin embargo, la impresión 4D de diversos hidrogeles requiere varios desafíos que superar. En primer lugar, el tiempo de respuesta para el accionamiento cambiante de los hidrogeles impresos en 4D es bastante lento. Se necesita un ajuste más fino de la composición del hidrogel integrado con materiales funcionales (por ejemplo, nanopartículas, materiales de baja dimensión, cristales líquidos e incluso ADN biológico) para mejorar el tiempo de respuesta. Además, la calibración de posicionamiento de la dirección Z y la alineación de las direcciones X-Y deben verificarse dos veces en cada paso durante el proceso de impresión dual. Para obtener un proceso de impresión continuo sin ninguna desalineación, los valores preestablecidos en las direcciones X, Y y Z en los archivos de código G deben verificarse dos veces y repetirse varias veces hasta que los cabezales de impresión estén perfectamente alineados.
Desde una perspectiva de aplicación, este documento presenta pinzas híbridas blandas térmica y magnéticamente sensibles que realizan activamente tareas de recogida y colocación. El proceso secuencial de agarrar y sostener de forma segura un objeto es fundamental en la robótica blanda. La pinza suave sensible a estímulos ha demostrado la posibilidad de desarrollar un sistema de manipulación inteligente que puede agarrar y liberar objetos precisamente de una manera menos invasiva o no invasiva de acuerdo con el proceso de encendido y apagado de estímulos externos32. Más recientemente, para lograr la locomoción automatizada de una pinza suave para tareas precisas de recogida y colocación, se han desarrollado sistemas de campo magnético de gradiente acoplado a retroalimentación de imágenes de ultrasonido en paralelo33. Aunque todavía a nivel conceptual, esperamos que este protocolo específico para la impresión 4D de una pinza híbrida sensible a estímulos suaves proporcione una base para nuevos avances significativos en el desarrollo de robots blandos sensibles a estímulos inteligentes controlables con precisión, altamente sensibles y multifuncionales.
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Disclosures
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Acknowledgments
Los autores agradecen el apoyo de la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno coreano (MSIT) (No.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 |
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