刺激响应型水凝胶基软体机器人的四维打印

本方案有望为实现用于多种应用的智能型、可变形软体机器人系统提供新的研究方向。这种4D时间依赖性打印技术能够制造出具有广泛尺寸范围（从毫米到厘米级）的多种刺激响应型软体机器人。该4D生物打印技术可进一步拓展应用于医疗工程领域的靶向药物递送、微创伤手术以及微创活检。

纯文本信息可能使读者产生歧义，因此视觉演示对于实现预期结果至关重要。制备非刺激响应性丙烯酰胺基水凝胶油墨时，将丙烯酰胺、交联剂和光引发剂溶于去离子水中，使用磁力搅拌器搅拌24小时。制备刺激响应性N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶油墨时，将N-异丙基丙烯酰胺、丙基N-异丙基丙烯酰胺和光引发剂溶于去离子水中，使用磁力搅拌器搅拌24小时。

然后将染料加入丙烯酰胺凝胶和N-异丙基丙烯酰胺凝胶中，并在1150转/分钟的条件下涡旋剪切剂Laponite RD，或至少六小时，直至完全稀释。随后按照文中提供的说明制备水凝胶墨水。在制备铁磁凝胶墨水时，首先根据文中所述方案配制A溶液和B溶液。

进行聚合反应时，将200微升A溶液和5微升B溶液转移至微量离心管中，涡旋混合20秒。使用Slicer软件为此前通过优化夹持器设计所创建的每个结构生成G代码，设定层高为0.4毫米。

填充密度为75%，打印速度为每秒10毫米。使用双打印头编辑G代码文件。将G代码文件保存至安全数字（SD）卡，然后连接到3D打印机。

将基于丙烯酰胺和基于N-异丙基丙烯酰胺的水凝胶 cartridge 与相应的喷嘴连接后，检查两个 cartridge 的打印头是否处于 Z 轴的同一位置。然后精确校准 X 和 Y 坐标，以避免两个喷嘴之间出现错位。现在，将基于丙烯酰胺的水凝胶的打印压力设置为 20 至 25 千帕，将基于 N-异丙基丙烯酰胺的水凝胶的打印压力设置为 10 至 15 千帕。

每个样品完全打印完成后，重复上述步骤以打印下一个样品。在紫外光固化前，使用注射器将具有磁响应性的铁磁凝胶墨水注入3D打印的软体抓手的指定薄孔区域。注入铁磁凝胶后，将抓手结构置于波长为365纳米的紫外光源照射 chamber 内，照射六分钟。

紫外光固化后，将抓手结构转移至去离子水浴中，至少浸泡24小时，直至达到完全溶胀的平衡状态。该柔性混合抓手通过热响应驱动和磁驱动运动实现抓取与放置操作。当温度升高至低临界溶解温度（LCST）以上时，基于N-异丙基丙烯酰胺的水凝胶发生去溶胀并收缩，从而使抓手尖端闭合。

相比之下，当温度降低至低临界溶解温度（LCST）以下时，由于基于N-异丙基丙烯酰胺的水凝胶发生溶胀，夹持器的尖端会打开。该夹持器还在充满去离子水的3D打印样品迷宫内展示了抓取与放置操作。夹持器在尖端张开状态下，通过外部磁体引导，从起始位置移动至目标鲑鱼卵处。

当温度升至 40 摄氏度时，夹持器的尖端闭合，夹住鲑鱼卵。夹持器在握住鲑鱼卵的同时被引导移出迷宫，并在 25 摄氏度的室温下以尖端张开的状态，成功将完整的鲑鱼卵释放到目标区域。在对两个喷嘴之间的坐标点进行校准时，必须谨慎进行实验操作。

该过程需要大量练习。本特定方案为实现精确可控、高灵敏度和多功能的智能刺激响应型软体机器人进一步的重大进展奠定了基础。