Method Article

Vierdimensionaler Druck von stimuli-responsiven Hydrogel-basierten Softrobotern

DOI:

10.3791/64870

⸱

January 13th, 2023

 ,  ,  ,  , 
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

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dieses Manuskript beschreibt eine 4D-Druckstrategie zur Herstellung intelligenter, auf Reize reagierender weicher Roboter. Dieser Ansatz kann die Grundlage für die Realisierung intelligenter, formwandelbarer weicher Robotersysteme bilden, einschließlich intelligenter Manipulatoren, Elektronik und Gesundheitssysteme.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Das vorliegende Protokoll beschreibt die Erstellung von vierdimensionalen (4D), zeitabhängigen, formveränderbaren, stimuli-responsiven weichen Robotern unter Verwendung eines dreidimensionalen (3D) Biodruckverfahrens. In jüngster Zeit wurden 4D-Drucktechniken als innovative neue Methoden zur Entwicklung formwandelbarer weicher Roboter vorgeschlagen. Insbesondere die zeitabhängige 4D-Formtransformation ist ein wesentlicher Faktor in der Softrobotik, da sie effektive Funktionen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort ermöglicht, wenn sie durch externe Signale wie Wärme, pH-Wert und Licht ausgelöst werden. Im Einklang mit dieser Perspektive können stimuli-responsive Materialien, einschließlich Hydrogele, Polymere und Hybride, gedruckt werden, um intelligente, formwandelbare weiche Robotersysteme zu realisieren. Das aktuelle Protokoll kann verwendet werden, um thermisch ansprechende Softgreifer herzustellen, die aus Hydrogelen auf N-Isopropylacrylamid (NIPAM)-Basis mit Gesamtgrößen von Millimetern bis Zentimetern Länge bestehen. Es wird erwartet, dass diese Studie neue Richtungen für die Realisierung intelligenter weicher Robotersysteme für verschiedene Anwendungen in intelligenten Manipulatoren (z. B. Greifern, Aktuatoren und Pick-and-Place-Maschinen), Gesundheitssystemen (z. B. Medikamentenkapseln, Biopsiewerkzeugen und Mikrooperationen) und Elektronik (z. B. tragbare Sensoren und Fluidik) aufzeigen wird.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Entwicklung von stimuli-responsiven Softrobotern ist sowohl aus technischer als auch aus intellektueller Sicht wichtig. Der Begriff stimuli-responsive Softroboter bezieht sich im Allgemeinen auf Geräte / Systeme, die aus Hydrogelen, Polymeren, Elastomeren oder Hybriden bestehen, die Formänderungen als Reaktion auf äußere Signale wie Wärme, pH-Wert und Licht 1,2,3,4 aufweisen. Unter den vielen stimuli-responsiven weichen Robotern führen N-Isopropylacrylamid (NIPAM) Hydrogel-basierte weiche Roboter die gewünschten Aufgaben oder Interaktionen durch spontane Formtransformation 5,6,7,8 aus. Im Allgemeinen weisen die NIPAM-basierten Hydrogele eine niedrige kritische Lösungstemperatur (LCST) auf, und Quellungen (Hydrophilie unterhalb der LCST) und Quellung (Hydrophobie über der LCST) treten innerhalb des Hydrogelsystems in der Nähe physiologischer Temperaturen zwischen 32 °C und 36 °C auf 9,10. Dieser reversible Quell-Entquellungsmechanismus in der Nähe des scharfen kritischen Übergangspunkts des LCST kann die Formtransformation von NIPAM-basierten Hydrogel-Softroboternerzeugen 2. Infolgedessen haben thermisch ansprechende NIPAM-basierte Hydrogel-Softroboter verbesserte Operationen wie Gehen, Greifen, Krabbeln und Erfassen, die in multifunktionalen Manipulatoren, Gesundheitssystemen und intelligenten Sensoren wichtig sind 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.

Bei der Herstellung von stimuli-responsiven weichen Robotern wurden dreidimensionale (3D) Druckansätze unter Verwendung eines direkten Schicht-für-Schicht-additiven Verfahrens weit verbreitet22. Eine Vielzahl von Materialien, wie Kunststoffe und weiche Hydrogele, können mit 3D-Druck23,24 gedruckt werden. In jüngster Zeit wurde der 4D-Druck als innovative Technik zur Herstellung formprogrammierbarer weicher Roboter 25,26,27,28 ausführlich hervorgehoben. Dieser 4D-Druck basiert auf dem 3D-Druck, und das Hauptmerkmal des 4D-Drucks ist, dass die 3D-Strukturen ihre Formen und Eigenschaften im Laufe der Zeit ändern können. Die Kombination von 4D-Druck und stimuli-responsiven Hydrogelen hat einen weiteren innovativen Weg zur Herstellung intelligenter 3D-Geräte eröffnet, die im Laufe der Zeit ihre Form ändern, wenn sie geeigneten externen Reizauslösern wie Wärme, pH-Wert, Licht sowie magnetischen und elektrischen Feldern ausgesetzt sind25,26,27,28 . Die Entwicklung dieser 4D-Drucktechnik unter Verwendung verschiedener stimuli-responsiver Hydrogele hat die Möglichkeit geboten, formwandelbare Softroboter zu entwickeln, die Multifunktionalität mit verbesserten Reaktionsgeschwindigkeiten und Rückkopplungsempfindlichkeit aufweisen.

Diese Studie beschreibt die Entwicklung eines 3D-druckgetriebenen, thermisch ansprechenden Softgreifers, der Formumwandlung und Fortbewegung anzeigt. Insbesondere kann das beschriebene spezifische Verfahren verwendet werden, um verschiedene multifunktionale Weichroboter mit Gesamtgrößen im Millimeter- bis Zentimeterlängenbereich herzustellen. Schließlich wird erwartet, dass dieses Protokoll in mehreren Bereichen angewendet werden kann, darunter weiche Roboter (z. B. intelligente Aktuatoren und Fortbewegungsroboter), flexible Elektronik (z. B. optoelektrische Sensoren und Lab-on-a-Chip) und Gesundheitssysteme (z. B. Medikamentenverabreichungskapseln, Biopsieinstrumente und chirurgische Geräte).

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Protocol

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Der stimuli-responsive Softgreifer bestand aus drei verschiedenen Arten von Hydrogelen: Hydrogel auf Basis von Hydrogelen auf Basis von nicht stimuli-responsivem Acrylamid (AAm), thermisch ansprechendem Hydrogel auf Basis von N-Isopropylacrylamid (NIPAM) und magnetisch ansprechendes Ferrogel (Abbildung 1). Die drei Hydrogeltinten wurden durch Modifizierung der zuvor veröffentlichten Methoden 29,30,31 hergestellt. Die in dieser Studie vorgestellten Daten sind auf Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich.

1. Herstellung von Hydrogeltinten

  1. Nicht stimuli-responsive AAm-basierte Hydrogeltinten (Abbildung 1A)
    1. Das Acrylamid (AAm), der Vernetzer N,N'-Methylenbisacrylamid (BIS) (siehe Materialtabelle) und der Photoinitiator 2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenon (siehe Tabelle der Werkstoffe) werden 24 h lang in destilliertem (DI) Wasser verdünnt.
    2. Wirbeln Sie das Scherverdünnungsmittel, den Laponit-RD-Nanoton und den Fluorescein-O-Methacrylat-Farbstoff (siehe Materialtabelle) bei 1.150 U/min für mindestens 6 h durch, bis sie vollständig verdünnt sind.
    3. Bereiten Sie spezifische Gewichte der AAm-basierten Hydrogeltinte pro insgesamt 20 ml Lösungsbasis vor: 1,576 g AAm, 0,332 g BIS, 1,328 g Laponit RD, 0,166 g Photoinitiator, 0,1 mg NaOH, 0,1 mg Fluorescein-O-Methacrylat (siehe Materialtabelle) und 16,594 g DI-Wasser.
    4. Nach der vollständigen Verdünnung wird die AAm-basierte Hydrogeltinte mit einer Spritze in eine leere 3D-Druckpatrone (siehe Materialtabelle) überführt.
  2. Stimuli-responsive NIPAM-basierte Hydrogel-Tinten (Abbildung 1B)
    1. N-Isopropylacrylamid (NIPAM), Poly-N-isopropylacrylamid (PNIPAM) und den Photoinitiator (siehe Materialtabelle) in DI-Wasser mit einem Magnetrührer für 24 h verdünnen.
    2. Wirbeln Sie das Scherverdünnungsmittel, den Laponit-RD-Nanoton und den Fluorescein-Rhodamin-6G-Farbstoff bei 1.150 U/min für mindestens 6 h durch, bis sie vollständig verdünnt sind.
    3. Bereiten Sie spezifische Gewichte der NIPAM-basierten Hydrogeltinte pro insgesamt 20 ml Lösungsbasis vor: 1,692 g NIPAM, 0,02 g pNIPAM, 1,354 g Laponit RD, 0,034 g Photoinitiator, 0,1 mg Rhodamin 6G (siehe Materialtabelle) und 16,92 g DI-Wasser.
    4. Nach vollständiger Verdünnung die NIPAM-basierte Hydrogel-Tinte mit einer Spritze in eine leere 3D-Druckpatrone geben.
  3. Ferrogel-Tinten (Abbildung 1C)
    1. Bereiten Sie die A-Lösung vor: Verdünntes Acrylamid (AAm) und Vernetzer, N,N'-Methylenbisacrylamid (BIS), Eisenoxid (Fe2O3) und N, N, N',N'-Tetramethylethylendiamin (TMEDA) (siehe Materialtabelle) in DI-Wasser.
    2. Betrachten Sie den spezifischen Gewichtsprozentsatz (Gew.%) der Materialien: 71% AAm, 3,5% BIS und 25,5%Fe2O3in 1,2 ml DI-Wasser mit 10 μL TMEDA-Beschleuniger.
    3. B-Lösung vorbereiten: 0,8 g Ammoniumpersulfat (APS, siehe Materialtabelle) in 10 ml DI-Wasser verdünnen.
    4. Zur Polymerisation werden 200 μL der A-Lösung und 5 μL der B-Lösung in ein Mikrozentrifugenröhrchen überführt.
    5. Wirbeln Sie das Mikrozentrifugenröhrchen für 20 s.

2. Optimierung des Softhybrid-Greiferdesigns

HINWEIS: Der elliptische Soft-Hybrid-Greifer besteht aus einer AAm-basierten Hydrogel-Außenschicht, einer NIPAM-basierten Hydrogel-Innenschicht und einer Ferrogel-Oberschicht (Abbildung 1D). Der elliptische Soft-Hybrid-Greifer wurde mit der AutoCAD-Software erstellt (siehe Materialtabelle).

  1. Zweidimensionales Hydrogel-Schichtdesign auf AAm-Basis
    1. Zeichnen Sie eine elliptische Form mit einer vertikalen Achse von 24 mm und einer horizontalen Achse von 20 mm am äußersten Teil.
    2. Zeichnen Sie eine weitere elliptische Form mit einer vertikalen Achse von 20,8 mm und einer horizontalen Achse von 16,8 mm mit demselben Mittelpunkt wie die in Schritt 2.1.1 gezeichnete Form.
    3. Zeichne einen Drei-Punkte-Bogen, der durch die Punkte (−8,24, 2), (0, 6) und (8,24, 2) vom Mittelpunkt der Ellipse weg verläuft.
    4. Trimmen Sie den kleinen oberen Teil der Sonnenfinsternis, der durch den Bogen geteilt wird.
  2. Zweidimensionales NIPAM-basiertes Hydrogelschichtdesign
    1. Zeichnen Sie ein Oval mit einer vertikalen Achse von 20,2 mm und einer horizontalen Achse von 16,4 mm mit demselben Mittelpunkt wie die in Schritt 2.1.1 gezeichnete Form.
    2. Zeichnen Sie eine Ellipse mit einer vertikalen Achse von 16,16 mm und einer horizontalen Achse von 13,12 mm mit demselben Mittelpunkt wie die in Schritt 2.1.1 gezeichnete Form.
    3. Zeichne einen Drei-Punkte-Bogen, der durch die Punkte (−7,86, 1,83), (0, 5,6) und (7,86, 1,83) vom Mittelpunkt der Ellipse weg verläuft.
    4. Zeichne einen Drei-Punkte-Bogen, der durch die Punkte (−5,47, 1,64), (0, 3,18) und (5,47, 1,64) vom Mittelpunkt der Ellipse weg verläuft.
    5. Trimmen Sie den kleinen oberen Teil der Ellipsen, die durch die Bögen unterteilt sind.
    6. Um einen Sockel zu erstellen, zeichnen Sie einen Bogen mit zwei Punkten vom Mittelpunkt entfernt bei (−4,75, −2,71) und (4,75, −2,71) als Endpunkte und einen Punkt vom Mittelpunkt entfernt bei (0, -4,59).
  3. Zweidimensionales Ferrogel-Schichtdesign
    1. Zeichne einen Drei-Punkte-Bogen, der durch die Punkte (−7, 4,92), (0, 9,2) und (7, 4,92) vom Mittelpunkt der Ellipse weg verläuft.
    2. Zeichne einen Drei-Punkte-Bogen, der durch die Punkte (−7, 4,92), (0, 7,6) und (7, 4,92) vom Mittelpunkt der Ellipse weg verläuft.
  4. Zweidimensionale Greiferspitzen
    1. Um den Greifteil des Greifers zu machen, schneiden Sie 0,8 mm von jeder Seite von der Mittellinie am unteren Rand der Ellipse ab.
  5. Dreidimensionales Hybridgreiferdesign
    1. Um das gesamte 2D-Hybrid-Greiferdesign in 3D umzuwandeln, extrudieren Sie den Sockel des responsiven Gels um 0,8 mm und extrudieren Sie das nicht reagierende Gel, das geschnittene Oval des responsiven Gels und das Ferrogel um 2,5 mm.

3. Dreidimensionaler Druck des Soft-Hybrid-Greifers

  1. Generieren Sie einen G-Code30 für jede Struktur, die in Schritt 2 mit der Slic3r-Software (siehe Materialtabelle) mit einer Schichthöhe von 0,4 mm, einer Druckgeschwindigkeit von 10 mms−1 und einer Fülldichte von 75% erstellt wurde. Bearbeiten Sie die G-Code-Datei mit zwei Druckköpfen.
  2. Speichern Sie die G-Code-Datei auf einer sicheren digitalen Karte (SD) und verbinden Sie sie mit dem 3D-Drucker (siehe Materialtabelle), um die Druckpfade des Softgreifers zu generieren.
  3. Schließen Sie eine Luftpumpendruckregelung an den 3D-Drucker an.
  4. Wählen Sie Düsenspitzen mit Durchmessern von 0,25 mm bzw. 0,41 mm für das NIPAM-basierte Hydrogel bzw. AAm-basiertes Hydrogel.
  5. Verbinden Sie die AAm-basierte Hydrogel-Kartusche mit Düse 1 und die NIPAM-basierte Hydrogel-Kartusche mit Düse 2.
  6. Überprüfen Sie, ob sich die beiden Druckköpfe der Patronen an der gleichen Position auf der z-Achse befinden.
  7. Kalibrieren Sie die X- und Y-Koordinaten genau, um Fehlausrichtungen zwischen den beiden Düsen zu vermeiden.
  8. Stellen Sie den Druckdruck auf 20-25 KPa für das AAm-basierte Hydrogel und auf 10-15 KPa für das NIPAM-basierte Hydrogel ein.
  9. Wiederholen Sie die Schritte 3.5 bis 3.8, wenn jede Probe vollständig gedruckt ist (Abbildung 2A).

4. UV-Photohärtung des Soft-Hybrid-Greifers

  1. Vor der UV-Photohärtung injizieren Sie die Magnetfeld-responsiven Ferrogel-Tinten (hergestellt in Schritt 1.3) mit einer Spritze in den gezielten Dünnlochbereich des 3D-gedruckten Softgreifers.
  2. Nach der Injektion des Ferrogels platzieren Sie die Greiferstruktur für 6 min in einer UV-Quellenkammer mit einer Wellenlänge von 365 nm. Fixieren Sie die Intensität des UV-Lichts auf 4,9 mJ/s.
  3. Nach der UV-Photohärtung wird die Greiferstruktur für mindestens 24 h in ein DI-Wasserbad überführt, bis sie einen vollständig aufgequollenen Gleichgewichtszustand erreicht hat (Abbildung 2B-D).

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Results

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Das Hydrogel auf NIPAM-Basis wurde bei der Entwicklung des thermisch ansprechenden Softgreifers aufgrund seiner scharfen LCST in erster Linie berücksichtigt, wodurch es signifikante Quell-Quelleigenschaften aufweist 9,10. Darüber hinaus wurde das AAm-basierte Hydrogel als ein nicht stimuli-responsives System betrachtet, um die Formtransformation des weichen Hybridgreifers zu maximieren und gleichzeitig die Delaminierung der Grenzfläche während mehrerer Heiz- und ...

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Discussion

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In Bezug auf die Materialauswahl für den Soft-Hybrid-Greifer wurde zunächst ein multi-responsives Materialsystem vorbereitet, das aus einem nicht stimuli-responsiven AAm-basierten Hydrogel, einem thermisch ansprechenden NIPAM-basierten Hydrogel und einem magnetisch ansprechenden Ferrogel besteht, damit der Soft-Hybrid-Greifer programmierbare Fortbewegung und Formumwandlung aufweisen kann. Aufgrund ihrer thermisch ansprechenden Quell-/Quelleigenschaften zeigen NIPAM-basierte Hydrogele Biegung, Faltung oder Faltenbildung, ...

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Disclosures

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Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.

Acknowledgements

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Die Autoren danken für die Unterstützung durch das von der koreanischen Regierung (MSIT) finanzierte Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) (No.2022R1F1A1074266).

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenonSigma Aldrich410896-50GIrgacure 2959, Photoinitiator
3D WOX 2Xsindohn/a3D-Drucker zur Herstellung eines
LabyrinthsAcrylamid Sigma-Aldrich29-007≥ 99%
Airbrush-KompressorWilTecAF18-2
AmmoniumpersulfatSigma AldrichA4418
Auto CADAutodeskn/aSoftware für Computer-Aided-Design-Datei
BLX UV-VernetzerBIO-LINKU01-133-565
KartuscheCELLINKCSC010300102
Digitales Rühren Heiß PlattenCorning6798-420D
Fluorescein O-MethacrylatSigma Aldrich568864Farbstoff von AAm Gel
INKREDIBLE+ Bioprinter CELLINKn/a
Eisen(III) OxidrotDUKSAN general scienceI0231
Laponit RDBYKn/aNanoclay
MikrozentrifugenröhrchenSPL60615
MikrorührstabCowie27-00360-08
N, N, N', N'-TetramethylethylendiaminSigma AldrichT7024-100ML
N, N'-MethylenbisacrylamidSigma AldrichM7279≥ 99,5%
N-IsopropylacrylamidSigma-Aldrich415324-50G
Poly(N-isopropylacrylamid)Sigma-Aldrich535311
Rhodamin 6GSigma AldrichR4127Farbstoff von NIPAM
Gel Slic3r Software (v1.2.9)Slic3rn/aOpen-Source-Software zum Konvertieren von .stl-Dateien in gcode
Natriumhydroxid-KügelchenSigma AldrichS5881
Sterile hochpräzise konische Bioprinting-DüsenCELLINKNZ327000500122 G, 25 G
SpritzeKorea ImpfstoffK0741538910 CC 21 G (1-1/4 INCH)
Vortex-MischerDAIHANDH.
WVM00030

References

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