Name: Czterowymiarowy druk miękkich robotów na bazie hydrożelu reagujących na bodźce (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-01-13T13:10:00.000+00:00
Duration: 5 min 43 s
Description: Poznaj metodę druku 4D miękkich robotów reagujących na bodźce z wykorzystaniem hydrożeli. Technika ta umożliwia tworzenie inteligentnych systemów robotycznych dla zastosowań biomedycznych, w tym precyzyjnego transportu leków i mikrochirurgii.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują za wsparcie ze strony grantu Narodowej Fundacji Badawczej Korei (NRF) ufundowanego przez rząd koreański (MSIT) (No.2022R1F1A1074266).

Miękki chwytak reagujący na bodźce składał się z trzech różnych typów hydrożeli: hydrożelu na bazie akrylamidu (AAm) niereagującego na bodźce, hydrożelu na bazie N-izopropyloakrylamidu (NIPAM) reagującego termicznie oraz ferrogela reagującego magnetycznie (<klasa silna="xfig">Rysunek 1). Trzy tusze hydrożelowe zostały przygotowane poprzez modyfikację wcześniej opublikowanych metod29,30,31. Dane przedstawione w tym badaniu są dostępne na żądanie u autora korespondencyjnego.
1. Przygotowanie farb hydrożelowych
<ol>
	<li>Atramenty hydrożelowe na bazie AAm niereagujące na bodźce (<klasa silna="xfig">Rysunek 1A)
	<ol>
		<li>Rozcieńczyć akryloamid (AAm), środek sieciujący N, N'-metylenobisakryloamid (BIS) (patrz tabela materiałów) i fotoinicjator 2-hydroksy-4'-(2-hydroksyetoksy)-2-metylopropiofenon (patrz tabela materiałów) w wodzie destylowanej (DI) za pomocą mieszadła magnetycznego przez 24 godziny.</li>
		<li>Wirować środek rozrzedzający ścinanie, nanoglinkę laponitu RD i barwnik O-metakrylanu fluoresceiny (patrz tabela materiałów) z prędkością 1,150 obr./min przez co najmniej 6 godzin, aż do całkowitego rozcieńczenia.</li>
		<li>Przygotować ciężary właściwe tuszu hydrożelowego na bazie AAm na łączne 20 ml bazy roztworu: 1,576 g AAm, 0,332 g BIS, 1,328 g laponitu RD, 0,166 g fotoinicjatora, 0,1 mg NaOH, 0,1 mg O-metakrylanu fluoresceiny (patrz tabela materiałów) i 16,594 g wody DI.</li>
		<li>Po całkowitym rozcieńczeniu przenieś tusz hydrożelowy na bazie AAm do pustego wkładu do druku 3D (patrz Tabela materiałów) za pomocą strzykawki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Atramenty hydrożelowe na bazie NIPAM reagujące na bodźce (<klasa silna="xfig">Rysunek 1B)
	<ol>
		<li>Rozcieńczyć N-izopropyloakrylamid (NIPAM), poli-N-izopropyloakryloamid (PNIPAM) i fotoinicjator (patrz Tabela materiałów) w wodzie demineralizowanej za pomocą mieszadła magnetycznego przez 24 godziny.</li>
		<li>Wirować środek rozrzedzający ścinanie, nanoglinkę laponitu RD i barwnik fluoresceinowo-rodaminowy 6G z prędkością 1,150 obr./min przez co najmniej 6 godzin, aż do całkowitego rozcieńczenia.</li>
		<li>Przygotować ciężary właściwe tuszu hydrożelowego na bazie NIPAM na łączną ilość 20 ml bazy roztworu: 1,692 g NIPAM, 0,02 g pNIPAM, 1,354 g laponitu RD, 0,034 g fotoinicjatora, 0,1 mg rodaminy 6G (patrz tabela materiałów) i 16,92 g wody DI.</li>
		<li>Po całkowitym rozcieńczeniu przenieś tusz hydrożelowy na bazie NIPAM do pustego wkładu do druku 3D za pomocą strzykawki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Atramenty ferrożelowe (<klasa silna = "xfig" >Rysunek 1C)
	<ol>
		<li>Przygotować roztwór A: Rozcieńczyć akryloamid (AAm) i środek sieciujący, N, N'-metylenobisakryloamid (BIS), tlenek żelaza (Fe2O3) i N, N, N', N'-tetrametyloetylenodiamina (TMEDA) (patrz tabela materiałów) w wodzie DI.</li>
		<li>Weź pod uwagę procent masy właściwej (wt%) materiałów: 71% AAm, 3,5% BIS i 25,5% Fe2O3 w1,2 ml wody DI z 10 μl akceleratora TMEDA.</li>
		<li>Przygotuj roztwór B: Rozcieńczyć 0,8 g nadsiarczanu amonu (APS, patrz tabela materiałów) w 10 ml wody demineralizowanej.</li>
		<li>W celu polimeryzacji przenieść 200 μl roztworu A i 5 μl roztworu B do probówki mikrowirówkowej.</li>
		<li>Wiruj probówkę mikrowirówki przez 20 sekund.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Optymalizacja konstrukcji miękkiego chwytaka hybrydowego
UWAGA: Eliptyczny miękki chwytak hybrydowy składa się z zewnętrznej warstwy hydrożelu na bazie AAm, wewnętrznej warstwy hydrożelowej na bazie NIPAM i górnej warstwy żelaza (<silna klasa="xfig">Rysunek 1D). Cały eliptyczny miękki chwytak hybrydowy został stworzony przy użyciu oprogramowania AutoCAD (patrz Tabela materiałów).
<ol>
	<li>Dwuwymiarowa konstrukcja warstwy hydrożelu na bazie AAm
	<ol>
		<li>Narysuj eliptyczny kształt z osią pionową 24 mm i osią poziomą 20 mm w najbardziej zewnętrznej części.</li>
		<li>Narysuj kolejny kształt eliptyczny o osi pionowej 20,8 mm i osi poziomej 16,8 mm z tym samym punktem środkowym, co kształt narysowany w kroku 2.1.1.</li>
		<li>Narysuj trzypunktowy łuk przechodzący przez punkty (−8.24, 2), (0, 6) i (8.24, 2) od punktu środkowego elipsy.</li>
		<li>Przytnij małą górną część zaćmienia przedzieloną łukiem.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dwuwymiarowa warstwa hydrożelu na bazie NIPAM
	<ol>
		<li>Narysuj owal o osi pionowej 20,2 mm i osi poziomej 16,4 mm z tym samym punktem środkowym, co kształt narysowany w kroku 2.1.1.</li>
		<li>Narysuj elipsę o osi pionowej 16,16 mm i osi poziomej 13,12 mm z tym samym punktem środkowym, co kształt narysowany w kroku 2.1.1.</li>
		<li>Narysuj trzypunktowy łuk przechodzący przez punkty (−7.86, 1.83), (0, 5.6) i (7.86, 1.83) od punktu środkowego elipsy.</li>
		<li>Narysuj trzypunktowy łuk przechodzący przez punkty (−5.47, 1.64), (0, 3.18) i (5.47, 1.64) od punktu środkowego elipsy.</li>
		<li>Przytnijmała górna część elipsy podzielona łukami.</li>
		<li>Aby utworzyć cokół, narysuj łuk z dwoma punktami oddalonymi od punktu środkowego o (−4.75, −2.71) i (4.75, −2.71) jako oba punkty końcowe i jeden punkt od punktu środkowego w (0, -4.59).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dwuwymiarowa konstrukcja warstwy ferrokielowej
	<ol>
		<li>Narysuj trzypunktowy łuk przechodzący przez punkty (−7, 4.92), (0, 9.2) i (7, 4.92) od punktu środkowego elipsy.</li>
		<li>Narysuj trzypunktowy łuk przechodzący przez punkty (−7, 4.92), (0, 7.6) i (7, 4.92) od punktu środkowego elipsy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dwuwymiarowa konstrukcja końcówek chwytaka
	<ol>
		<li>Aby wykonać część chwytakową chwytaka, odetnij 0,8 mm z każdej strony od linii środkowej u dołu elipsy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Trójwymiarowa hybrydowa konstrukcja chwytaka
	<ol>
		<li>Aby przekształcić ogólną konstrukcję chwytaka hybrydowego 2D w 3D, wyciśnij cokół responsywnego żelu o 0,8 mm i wyciśnij nieresponsywny żel, przecięty owal responsywnego żelu i ferrogela o 2,5 mm.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Trójwymiarowy wydruk miękkiego chwytaka hybrydowego
<ol>
	<li>Wygeneruj G-code30 dla każdej struktury utworzonej w kroku 2 za pomocą oprogramowania Slic3r (patrz Tabela materiałów) o wysokości warstwy 0,4 mm, prędkości drukowania 10 mms−1 i gęstości wypełnienia 75%. Edytuj plik G-code za pomocą dwóch głowic drukujących.</li>
	<li>Zapisz plik G-code na bezpiecznej karcie cyfrowej (SD) i podłącz go do drukarki 3D (patrz Tabela materiałów), aby wygenerować ścieżki drukowania miękkiego chwytaka.</li>
	<li>Podłącz regulator ciśnienia pompy powietrza do drukarki 3D.</li>
	<li>Wybierz końcówki dysz o średnicach 0,25 mm i 0,41 mm odpowiednio dla hydrożelu na bazie NIPAM i hydrożelu na bazie AAm.</li>
	<li>Podłącz wkład hydrożelowy na bazie AAm do dyszy 1, a wkład hydrożelowy na bazie NIPAM do dyszy 2.</li>
	<li>Sprawdź, czy dwie głowice drukujące wkładów znajdują się w tym samym położeniu na osi z.</li>
	<li>Skalibruj precyzyjnie współrzędne X i Y, aby uniknąć niewspółosiowości między dwiema dyszami.</li>
	<li>Ustaw ciśnienie drukowania na 20-25 KPa dla hydrożelu na bazie AAm i na 10-15 KPa dla hydrożelu na bazie NIPAM.</li>
	<li>Powtórz kroki 3.5-3.8, gdy każda próbka jest całkowicie wydrukowana (<silna klasa="xfig">Rysunek 2A).</li>
</ol>
4. Fotoutwardzanie UV miękkiego chwytaka hybrydowego
<ol>
	<li>Przed fotoutwardzaniem UV wstrzyknij reagujące na pole magnetyczne atramenty ferrogelowe (przygotowane w kroku 1.3) do docelowego obszaru cienkich otworów miękkiego chwytaka wydrukowanego w 3D za pomocą strzykawki.</li>
	<li>Po wstrzyknięciu ferrożelu należy umieścić konstrukcję chwytaka w komorze źródła promieniowania UV o długości fali 365 nm na 6 minut. Ustalić natężenie światła UV na 4,9 mJ/s.</li>
	<li>Po fotoutwardzeniu UV przenieś strukturę chwytaka do łaźni wodnej DI na co najmniej 24 godziny, aż osiągnie całkowicie spuchnięty stan równowagi (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 2B-D).</li>
</ol>

<ol><li>Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimuli+responsive+self-folding+using+thin+polymer+films%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Opinion+in+Chemical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Stimuli responsive self-folding using thin polymer films.</a> Current Opinion in Chemical Engineering. 2 (1), 112-119 (2013).</li>
<li>Zhang, Y. S., Khademhosseini, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+engineering+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Advances in engineering hydrogels.</a> Science. 356 (6337), (2017).</li>
<li>Erol, O., Pantula, A., Liu, W., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transformer+hydrogels%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials+Technologies%22%5BJournal%5D)">Transformer hydrogels: A review.</a> Advanced Materials Technologies. 4 (4), 1900043(2019).</li>
<li>Liu, X., Liu, J., Lin, S., Zhao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogel+machines%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Hydrogel machines.</a> Materials Today. 36, 102-124 (2020).</li>
<li>Hu, Z., Zhang, X., Li, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+application+of+modulated+polymer+gels%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Synthesis and application of modulated polymer gels.</a> Science. 269 (5223), 525-527 (1995).</li>
<li>Klein, Y., Efrati, E., Sharon, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shaping+of+elastic+sheets+by+prescription+of+non-Euclidean+metrics%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Shaping of elastic sheets by prescription of non-Euclidean metrics.</a> Science. 315 (5815), 1116-1120 (2007).</li>
<li>Kim, J., Hanna, J. A., Byun, M., Santangelo, C. D., Hayward, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+responsive+buckled+surfaces+by+halftone+gel+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Design responsive buckled surfaces by halftone gel lithography.</a> Science. 335 (6073), 1201-1205 (2012).</li>
<li>Breger, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-folding+thermo-magnetically+responsive+soft+microgrippers%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (5), 3398-3405 (2015).</li>
<li>Schild, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Poly+%28N-isopropylacrylamide%29%3A+Experiment%2C+theory+and+application%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Polymer+Science%22%5BJournal%5D)">Poly (N-isopropylacrylamide): Experiment, theory and application.</a> Progress in Polymer Science. 17 (2), 163-249 (1992).</li>
<li>Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. -C., Sharma, N., Zhou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimuli-responsive+polymer+gels%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Stimuli-responsive polymer gels.</a> Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).</li>
<li>Stuart, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emerging+applications+of+stimuli-responsive+polymer+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials.</a> Nature Materials. 9, 101-113 (2010).</li>
<li>Ionov, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomimetic+hydrogel-based+actuating+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Functional+Materials%22%5BJournal%5D)">Biomimetic hydrogel-based actuating systems.</a> Advanced Functional Materials. 23 (36), 4555-4570 (2013).</li>
<li>Ghosh, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimuli-responsive+soft+untethered+grippers+for+drug+delivery+and+robotic+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Mechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Stimuli-responsive soft untethered grippers for drug delivery and robotic surgery.</a> Frontiers in Mechanical Engineering. 3, 7(2017).</li>
<li>Kirillova, A., Ionov, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape-changing+polymers+for+biomedical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry+B%22%5BJournal%5D)">Shape-changing polymers for biomedical applications.</a> Journal of Materials Chemistry B. 7, 1597-1624 (2019).</li>
<li>Le, X., Lu, W., Zhang, J., Chen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+progress+in+biomimetic+anisotropic+hydrogel+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Science%22%5BJournal%5D)">Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators.</a> Advanced Science. 6 (5), 1801584(2019).</li>
<li>Xu, W., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+three-dimensional+robots+with+hard+two-dimensional+materials%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Soft three-dimensional robots with hard two-dimensional materials.</a> ACS Nano. 13 (5), 4883-4892 (2019).</li>
<li>Yoon, C. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+biomimetic+stimuli+responsive+soft+grippers%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Convergence%22%5BJournal%5D)">Advances in biomimetic stimuli responsive soft grippers.</a> Nano Convergence. 6, 20(2019).</li>
<li>Lee, Y., Song, W. J., Sun, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogel+soft+robotics%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today+Physics%22%5BJournal%5D)">Hydrogel soft robotics.</a> Materials Today Physics. 15, 100258(2020).</li>
<li>Shen, Z., Chen, F., Zhu, X., Yong, K. T., Gu, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimuli-responsive+functional+materials+for+soft+robotics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry+B%22%5BJournal%5D)">Stimuli-responsive functional materials for soft robotics.</a> Journal of Materials Chemistry B. 8, 8972-8991 (2020).</li>
<li>Kim, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+morphing+smart+3D+actuator+materials+for+micro+soft+robot%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Shape morphing smart 3D actuator materials for micro soft robot.</a> Materials Today. 41, 243-269 (2020).</li>
<li>Ding, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multifunctional+soft+machines+based+on+stimuli-responsive+hydrogels%3A+From+freestanding+hydrogels+to+smart+integrated+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today+Advances%22%5BJournal%5D)">Multifunctional soft machines based on stimuli-responsive hydrogels: From freestanding hydrogels to smart integrated systems.</a> Materials Today Advances. 8, 100088(2020).</li>
<li>Wang, X., Jiang, M., Zhou, Z., Gou, J., Hui, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+printing+of+polymer+matrix+composites%3A+A+review+and+prospective%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Part+B%3A+Engineering%22%5BJournal%5D)">3D printing of polymer matrix composites: A review and prospective.</a> Composites Part B: Engineering. 110, 442-458 (2017).</li>
<li>Bartlett, N. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+3D-printed%2C+functionally+graded+soft+robot+powered+by+combustion%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion.</a> Science. 349 (6244), 161-165 (2015).</li>
<li>Wehner, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+integrated+design+and+fabrication+strategy+for+entirely+soft%2C+autonomous+robots%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots.</a> Nature. 536, 451-455 (2016).</li>
<li>Tibbits, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4D+printing%3A+Multi-material+shape+change%5BTitle%5D)+AND+%22Architectural+Design%22%5BJournal%5D)">4D printing: Multi-material shape change.</a> Architectural Design. 84 (1), 116-121 (2014).</li>
<li>Gladman, A. S., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomimetic+4D+printing%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Biomimetic 4D printing.</a> Nature Materials. 15, 413-418 (2016).</li>
<li>Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+4D+printing%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+%26+Design%22%5BJournal%5D)">A review of 4D printing.</a> Materials & Design. 125, 42-79 (2017).</li>
<li>Ionov, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4D+biofabrication%3A+Materials%2C+methods%2C+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Healthcare+Materials%22%5BJournal%5D)">4D biofabrication: Materials, methods, and applications.</a> Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 1800412(2018).</li>
<li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dual-gel+4D+printing+of+bioinspired+tubes%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Materials+%26+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Dual-gel 4D printing of bioinspired tubes.</a> ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (8), 8492-8498 (2019).</li>
<li>Son, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Untethered+actuation+of+hybrid+hydrogel+gripper+via+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Macro+Letters%22%5BJournal%5D)">Untethered actuation of hybrid hydrogel gripper via ultrasound.</a> ACS Macro Letters. 9 (12), 1766-1772 (2020).</li>
<li>Ding, Z., Salim, A., Ziaie, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Squeeze-film+hydrogel+deposition+and+dry+micropatterning%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Squeeze-film hydrogel deposition and dry micropatterning.</a> Analytical Chemistry. 82 (8), 3377-3382 (2010).</li>
<li>Ongaro, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Autonomous+planning+and+control+of+soft+untethered+grippers+in+unstructured+environments%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Micro-Bio+Robotics%22%5BJournal%5D)">Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments.</a> Journal of Micro-Bio Robotics. 12, 45-52 (2017).</li>
<li>Scheggi, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+motion+control+and+planning+of+untethered+soft+grippers+using+ultrasound+image+feedback%5BTitle%5D)+AND+%222017+IEEE+International+Conference+on+Robotics+and+Automation+%28ICRA%29.+IEEE%22%5BJournal%5D)">Magnetic motion control and planning of untethered soft grippers using ultrasound image feedback.</a> 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE. , 6156-6161 (2017).</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

Jeśli chodzi o wybór materiału dla miękkiego chwytaka hybrydowego, najpierw przygotowano wielofunkcyjny system materiałowy składający się z hydrożelu na bazie AAm, hydrożelu na bazie NIPAM reagującego termicznie i ferrogelu reagującego na magnes, aby umożliwić miękkiemu chwytakowi hybrydowemu wykazywanie programowalnej lokomocji i transformacji kształtu. Ze względu na swoje wrażliwe termicznie właściwości pęcznienia i pęcznienia, hydrożele na bazie NIPAM wykazują zginanie, fałdowanie lub marszczenie, gdy są wytwarzane ja...

Rozwój miękkich robotów reagujących na bodźce jest ważny zarówno z technicznego, jak i intelektualnego punktu widzenia. Termin miękkie roboty reagujące na bodźce zazwyczaj odnosi się do urządzeń/systemów składających się z hydrożeli, polimerów, elastomerów lub hybryd, które wykazują zmiany kształtu w odpowiedzi na sygnały zewnętrzne, takie jak ciepło, pH i światło1,2,3,4. Wśród wielu miękkich robotów reagujących na bodźce, miękkie roboty na bazie hydrożelu N-izopropylacrylamidu (NIPAM) wykonują pożądane zadania lub interakcje za pomocą spontanicznej transformacji kształtu5,6,7,8. Ogólnie rzecz biorąc, hydrożele na bazie NIPAM wykazują niską temperaturę krytyczną roztworu (LCST), a zmiany właściwości pęcznienia (hydrofilowość poniżej LCST) i pęcznienia (hydrofobowość powyżej LCST) zachodzą wewnątrz układu hydrożelowego w pobliżu temperatur fizjologicznych między 32 °C a 36 °C9,10. Ten odwracalny mechanizm pęcznienia i pęcznienia w pobliżu ostrego krytycznego punktu przejścia LCST może generować transformację kształtu miękkich robotów hydrożelowych opartych na NIPAM2. W rezultacie, reagujące termicznie miękkie roboty hydrożelowe na bazie NIPAM usprawniły operacje, takie jak chodzenie, chwytanie, czołganie się i wykrywanie, które są ważne w wielofunkcyjnych manipulatorach, systemach opieki zdrowotnej i inteligentnych czujnikach2,3,4,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21.
W produkcji miękkich robotów reagujących na bodźce, szeroko stosowane są podejścia do drukowania trójwymiarowego (3D) przy użyciu bezpośredniego procesu addytywnego warstwa po warstwie22. Za pomocą druku 3D można drukować różne materiały, takie jak tworzywa sztuczne i miękkie hydrożele23,24. Ostatnio druk 4D został szeroko podkreślony jako innowacyjna technika tworzenia programowalnych kształtowo miękkich robotów25,26,27,28. Ten druk 4D opiera się na druku 3D, a kluczową cechą druku 4D jest to, że struktury 3D mogą zmieniać swoje kształty i właściwości w czasie. Połączenie druku 4D i hydrożeli reagujących na bodźce zapewniło kolejną innowacyjną drogę do tworzenia inteligentnych urządzeń 3D, które zmieniają kształt w czasie pod wpływem odpowiednich bodźców zewnętrznych. takie jak ciepło, pH, światło oraz pola magnetyczne i elektryczne25,26,27,28. Rozwój tej techniki druku 4D przy użyciu różnorodnych hydrożeli reagujących na bodźce dał szansę na pojawienie się miękkich robotów przekształcających kształt, które wykazują wielofunkcyjność z poprawioną szybkością reakcji i czułością sprzężenia zwrotnego.
To badanie opisuje tworzenie sterowanego drukiem 3D, termicznie reagującego, miękkiego chwytaka, który wyświetla transformację kształtu i poruszanie się. Warto zauważyć, że opisana konkretna procedura może być wykorzystana do wytwarzania różnych wielofunkcyjnych miękkich robotów o ogólnych rozmiarach od milimetra do centymetra długości. Wreszcie, oczekuje się, że protokół ten może być stosowany w kilku dziedzinach, w tym w miękkich robotach (np. inteligentnych siłownikach i robotach lokomocyjnych), elastycznej elektronice (np. czujniki optoelektryczne i lab-on-a-chip) oraz systemach opieki zdrowotnej (np. kapsułki do dostarczania leków, narzędzia do biopsji i urządzenia chirurgiczne).

<table><tbody><tr><td>2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone</td><td>Sigma Aldrich</td><td>410896-50G</td><td>Irgacure 2959, fotoinicjator</td></tr><tr><td>3D WOX 2X</td><td>sindoh</td><td>n/a</td><td>drukarka 3D do wytwarzania labiryntu</td></tr><tr><td>Akrylamid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>29-007</td><td>&ge; 99%</td></tr><tr><td>Kompresor aerografu</td><td>WilTec</td><td>AF18-2</td><td></td></tr><tr><td>Nadsiarczan amonu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A4418</td><td></td></tr><tr><td>Auto CAD</td><td>Autodesk</td><td>n/a</td><td>oprogramowanie do pliku do komputerowego wspomagania projektowania BLX</td></tr><tr><td>UV sieciownik</td><td>BIO-LINK</td><td>U01-133-565</td><td></td></tr><tr><td>Kartridż</td><td>CELLINK</td><td>CSC010300102</td><td></td></tr><tr><td>Mieszanie cyfrowe Gorąco Talerze</td><td>Corning</td><td>6798-420D</td><td></td></tr><tr><td>Fluoresceina O-metakrylan</td><td>Sigma Aldrich</td><td>568864</td><td>barwnik żelu AAm</td></tr><tr><td>INKREDIBLE+ biodrukarka</td><td>CELLINK</td><td>n/a</td><td></td></tr><tr><td>Tlenek żelaza(III) czerwony</td><td>DUKSAN nauka ogólna</td><td>I0231</td><td></td></tr><tr><td>Laponit RD</td><td>BYK</td><td>bez</td><td>nanogliny</td></tr><tr><td>Rurka do mikrowirówki</td><td>SPL</td><td>60615</td><td></td></tr><tr><td>Mikro mieszadło</td><td>prętowe Cowie</td><td>27-00360-08</td><td></td></tr><tr><td>N, N, N', N'-tetrametyloetylenodiamina</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T7024-100ML</td><td></td></tr><tr><td>N, N'-metylenobisakryloamid</td><td>Sigma Aldrich</td><td>M7279</td><td>&ge; 99,5%</td></tr> <tr><td>N-izopropylokryloamid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>415324-50G</td><td></td></tr><tr><td>Poli(N-izopropylacrylamid)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>535311</td><td></td></tr><tr><td>Rodamina 6G</td><td>Sigma Aldrich</td><td>R4127</td><td>barwnik żelu NIPAM</td></tr><tr><td>Oprogramowanie Slic3r (v1.2.9)</td><td>Slic3r</td><td>bez</td><td>oprogramowania typu open source do konwersji pliku .stl na gcode</td></tr><tr><td>Kulki wodorotlenku sodu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S5881</td><td></td></tr><tr><td>Sterylne, precyzyjne, stożkowe dysze do biodruku</td><td>CELLINK</td><td>NZ3270005001</td><td>22 G, 25 G</td></tr><tr><td>Strzykawka</td><td>Koreańska szczepionka</td><td>K07415389</td><td>10 CC 21 G (1-1/4 cala)</td></tr><tr><td>Mieszalnik wirowy</td><td>DAIHAN</td><td>DH. </td><td></td>WVM00030</tr></tbody></table>

czterowymiarowy druk miękkich robotów na bazie hydrożelu reagujących na bodźce

Four-Dimensional Printing of Stimuli-Responsive Hydrogel-Based Soft Robots

Obecny protokół opisuje tworzenie czterowymiarowych (4D), zależnych od czasu, zmiennych kształtów, reagujących na bodźce miękkich robotów przy użyciu trójwymiarowej (3D) metody biodruku. Ostatnio techniki druku 4D są szeroko proponowane jako innowacyjne nowe metody opracowywania miękkich robotów przekształcających kształt. W szczególności zależna od czasu transformacja kształtu 4D jest istotnym czynnikiem w miękkiej robotyce, ponieważ umożliwia skuteczne funkcje we właściwym czasie i miejscu, gdy są wyzwalane przez sygnały zewnętrzne, takie jak ciepło, pH i światło. Zgodnie z tą perspektywą, materiały reagujące na bodźce, w tym hydrożele, polimery i hybrydy, mogą być drukowane w celu realizacji inteligentnych, miękkich systemów robotycznych z możliwością transformacji kształtu. Obecny protokół może być wykorzystany do wytwarzania wrażliwych termicznie miękkich chwytaków składających się z hydrożeli na bazie N-izopropylacrylamidu (NIPAM), o całkowitych rozmiarach od milimetrów do centymetrów długości. Oczekuje się, że badanie to dostarczy nowych kierunków realizacji inteligentnych miękkich systemów robotycznych do różnych zastosowań w inteligentnych manipulatorach (np. chwytakach, siłownikach i maszynach typu pick-and-place), systemach opieki zdrowotnej (np. kapsułki z lekami, narzędzia do biopsji i mikrochirurgii) oraz elektronice (np. czujniki do noszenia i fluidyka).

Przy projektowaniu termicznie responsywnego miękkiego chwytaka w pierwszej kolejności rozważono hydrożel na bazie NIPAM ze względu na jego wyraźną LCST, która sprawia, że wykazuje on znaczące właściwości pęcznienia i kurczenia się9,10. Ponadto, hydrożel na bazie AAm został przyjęty jako system nierespansywny, aby zmaksymalizować zmianę kształtu miękkiego chwytaka hybrydowego, jednocześnie ograniczając delaminację interfejsu podczas wielokrotnych procesów ogrzewan...

Ten manuskrypt opisuje strategię druku 4D do produkcji inteligentnych, miękkich robotów reagujących na bodźce. Takie podejście może stanowić podstawę ułatwiającą realizację inteligentnych, miękkich systemów robotycznych z możliwością transformacji kształtu, w tym inteligentnych manipulatorów, elektroniki i systemów opieki zdrowotnej.

Czterowymiarowy druk miękkich robotów na bazie hydrożelu reagujących na bodźce

The present protocol describes the creation of four-dimensional (4D), time-dependent, shape-changeable, stimuli-responsive soft robots using a ...

Oczekuje się, że przedstawiony protokół wskaże nowe kierunki realizacji inteligentnych, przekształcalnych kształtowo, miękkich systemów robotycznych do różnych zastosowań. Proces drukowania 4D zależny od czasu może tworzyć różnorodne miękkie roboty reagujące na bodźce, o szerokim zakresie rozmiarów, od milimetrów do centymetrów. Ta technika biodruku 4D może być rozszerzona na celowane dostarczanie leków, mikrochirurgię i mniej inwazyjną biopsję w inżynierii opieki zdrowotnej.Informacje tekstowe mogą powodować niejasności dla czytelników, dlatego demonstracje wizualne są niezbędne, aby pomóc osiągnąć zamierzone rezultaty. Aby przygotować niereagujące na bodźce tusze hydrożelowe na bazie akrylamidu, rozcieńczyć akrylamid, środek sieciujący i fotoinicjator w wodzie dejonizowanej za pomocą mieszadła magnetycznego przez 24 godziny. Aby przygotować tusze hydrożelowe na bazie N-izopropylacrylamidu reagujące na bodźce, rozcieńczyć N-izopropyloakrylamid, N-izopropylolakrylamid propylu i fotoinicjator w wodzie dejonizowanej, używając mieszadła magnetycznego przez 24 godziny.Następnie dodaj barwnik do żelu akrylowego i żelu N-izopropyloakrylamidu i wiruj środek ścinający, Laponit RD, z prędkością 1150 obrotów na minutę lub co najmniej sześć godzin, aż do całkowitego rozcieńczenia. Następnie postępuj zgodnie z instrukcjami podanymi w tekście, aby przygotować tusz hydrożelowy. Do przygotowania farb ferrogelowych należy najpierw przygotować roztwór A i roztwór B zgodnie z protokołem opisanym w tekście.Aby przeprowadzić polimeryzację, przenieś 200 mikrolitrów roztworu A i pięć mikrolitrów roztworu B do probówki mikrowirówki i wiruj mieszaninę przez 20 sekund. Korzystając z oprogramowania Slicer, wygeneruj kod G dla każdej konstrukcji utworzonej wcześniej przez optymalizację projektu chwytaka. Przypisz warstwę o wysokości 0,4 milimetra.Gęstość wypełnienia 75% i prędkość drukowania 10 milimetrów na sekundę. Edytuj plik G code za pomocą dwóch głowic drukujących. Zapisz plik kodu G na bezpiecznej karcie cyfrowej lub karcie SD przed podłączeniem go do drukarki 3D.Po podłączeniu wkładów hydrożelowych na bazie akrylamidu i N-izopropylacrylamidu do odpowiednich dysz, sprawdź, czy dwie głowice drukujące wkładów znajdują się w tej samej pozycji na osi Z. Następnie dokładnie skalibruj współrzędne X i Y, aby uniknąć niewspółosiowości między dwiema dyszami. Teraz ustaw ciśnienie drukowania na 20 do 25 kilopaskala dla hydrożelu na bazie akrylamidu i na 10 do 15 kilopaskala dla hydrożelu na bazie N-izopropyloakrylamidu.Powtórz te czynności po całkowitym wydrukowaniu każdej próbki, aby wydrukować następną. Przed fotoutwardzaniem UV wstrzyknij reagujące na pole magnetyczne atramenty ferrogelowe do docelowego cienkiego otworu wydrukowanego w 3D miękkiego chwytaka za pomocą strzykawki. Po wstrzyknięciu ferrożelu należy umieścić strukturę chwytaka w komorze źródła promieniowania UV o długości fali 365 nanometrów na sześć minut.Po fotoutwardzeniu UV przenieś strukturę chwytaka do dejonizowanej łaźni wodnej na co najmniej 24 godziny, aż osiągnie całkowicie spuchnięty stan równowagi. Miękki chwytak hybrydowy wykonywał zadanie podnoszenia i umieszczania za pomocą aktywowania reagującego termicznie i lokomocji magnetycznej. Gdy temperatura wzrosła powyżej dolnej krytycznej temperatury roztworu lub LCST, hydrożel na bazie N-izopropylokryloamidu pęczniał i kurczył się, zamykając końcówkę chwytaka.W przeciwieństwie do tego, końcówka chwytaka otwierała się, gdy temperatura spadała poniżej LCST, z powodu pęcznienia hydrożelu na bazie N-izopropylokryloamidu. Chwytak zademonstrował również zadanie typu "podnieś i umieść" w wydrukowanym w 3D labiryncie próbek wypełnionym wodą dejonizowaną. Chwytak w stanie otwartym był prowadzony przez magnes zewnętrzny od pozycji wyjściowej do docelowej ikry łososia.Gdy temperatura osiągnęła 40 stopni Celsjusza, końcówka chwytaka zamknęła się, aby chwycić ikrę łososia. Chwytak został wyprowadzony z labiryntu podczas trzymania ikry łososia i z powodzeniem uwolnił nienaruszoną ikrę łososia w obszarze docelowym w stanie otwartym, w temperaturze pokojowej 25 stopni Celsjusza. Należy zachować ostrożność doświadczalną podczas kalibracji punktów współrzędnych między dwiema dyszami.Ten proces wymaga dużo praktyki. Ten konkretny protokół stanowi podstawę dla dalszych znaczących postępów w realizacji precyzyjnie sterowalnych, wysoce czułych i wielofunkcyjnych miękkich robotów reagujących na inteligentne bodźce.

four-dimensional-printing-stimuli-responsive-hydrogel-based-soft

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisano proste techniki szybkiego wytwarzania mikrofabrykowanych systemów kultur neuronalnych z wykorzystaniem cyfrowego urządzenia z mikrolustrami do litografii z dynamiczną projekcją maski na standardowych podłożach do hodowli komórkowej. Systemy hodowlane te mogą lepiej odzwierciedlać naturalną architekturę biologiczną, a opisane techniki można dostosować do licznych zastosowań.

Wytwarzanie mikrowzorowanych hydrożeli dla systemów kultur neuronalnych z wykorzystaniem fotolitografii z dynamiczną projekcją maski

Bioprinter został użyty do stworzenia wzorzystych hydrożeli na bazie formy ofiarnej.  Formę poloksamerową zasypano drugim hydrożelem, a następnie wymywano, pozostawiając puste przestrzenie, które wypełniono trzecim hydrożelem. Metoda ta wykorzystuje szybką elucję i dobrą drukowność poloksamera do generowania złożonych architektur z biopolimerów.

Drukowanie termoczułych form odwróconych do tworzenia wzorzystych dwuskładnikowych hydrożeli do hodowli komórkowych 3D

A kartezjańska biodrukarka została zaprojektowana i wyprodukowana, aby umożliwić osadzanie wielu materiałów w precyzyjnych, powtarzalnych geometriach, jednocześnie umożliwiając kontrolę czynników środowiskowych. Korzystając z trójwymiarowej biodrukarki, można drukować i łatwo odtwarzać złożone i żywotne konstrukcje.

Żywotność biodrukowanych konstruktów komórkowych przy użyciu drukarki kartezjańskiej z trzema dozownikami

Obrazowanie metodą rezonansowego transferu energii (FRET) Förstera jest potężnym narzędziem do badań biologii komórki w czasie rzeczywistym. W artykule przedstawiono metodę obrazowania komórek FRET w fizjologicznych trójwymiarowych (3D) mikrośrodowiskach hydrożelowych z wykorzystaniem konwencjonalnej mikroskopii epifluorescencyjnej. Opisano analizę dla ratiometrycznych sond FRET, która daje współczynniki liniowe w zakresie aktywacji.

Obrazowanie FRET w trójwymiarowych hydrożelach

Ten protokół opisuje metodologię biodruku przy użyciu zautomatyzowanego zrobotyzowanego systemu deponowania, który łączy wytrawione wskazówki topograficzne z precyzyjnym osadzaniem biotuszu z hydrożelu na komórce. Wydrukowane komórki są dostarczane bezpośrednio do wytrawionych elementów i są w stanie je wyczuć i zorientować się w sytuacji.

Zautomatyzowana zrobotyzowana technika dozowania do prowadzenia powierzchni i biodruku komórek

Opracowano strategię wytwarzania przyrostowego do przetwarzania hydrożeli sieciowanych UV. Strategia ta pozwala na montaż warstwa po warstwie mikroprefabrykowanych struktur hydrożelowych, a także na montaż niezależnych komponentów, co pozwala na uzyskanie zintegrowanych urządzeń zawierających ruchome elementy, które reagują na aktywację magnetyczną.

Technika wytwarzania przyrostowego do łatwego i szybkiego wytwarzania mikromaszyn na bazie hydrożelu z komponentami reagującymi magnetycznie

Przedstawiona tutaj jest metoda biodruku 3D żelatyny metakryloilo.

Protokoły biodruku 3D biotuszy na bazie żelatyny i hydrożelu metakryloylowego

Rusztowanie inspirowane biologią jest wytwarzane techniką miękkiej fotolitografii przy użyciu mechanicznie wytrzymałych i elektrycznie przewodzących hydrożeli. Hydrożele z mikrowzorem zapewniają kierunkowe wyrównanie komórek kardiomiocytów, co skutkuje dostosowanym kierunkiem uruchamiania. Elastyczne mikroelektrody są również zintegrowane z rusztowaniem, aby zapewnić kontrolę elektryczną dla samoczynnie działającej tkanki serca.

Miękki robot inspirowany biologicznie z wbudowanymi mikroelektrodami

Przedstawiona metoda polega na jednoosiowym rozciąganiu miękkich hydrożeli 3D osadzonych w gumie silikonowej, umożliwiając jednocześnie mikroskopię konfokalną na żywo. Przedstawiono charakterystykę zewnętrznych i wewnętrznych szczepów hydrożelu, a także wyrównanie włókien. Opracowane urządzenie i protokół mogą oceniać reakcję komórek na różne reżimy szczepów.

Kontrolowane odkształcanie hydrożeli 3D w obrazowaniu mikroskopowym na żywo

Przetwarzanie ścinaniem podczas tworzenia hydrożelu powoduje produkcję zawiesin mikrożelowych, które są cienkie jak ścinanie, ale szybko się restrukturyzują po usunięciu sił ścinających. Materiały te zostały wykorzystane jako matryca nośna do biodruku złożonych, obciążonych komórkami struktur. W tym miejscu opisano metody stosowane do produkcji łoża nośnego oraz kompatybilne biotusze.

Płynne żele agarozowe utworzone przez obróbkę ścinającą podczas żelowania do zawieszonego biodruku 3D

Ten artykuł opisuje, jak drukować biożele 3D fototostrajalne hydrożele do badania usztywnienia macierzy zewnątrzkomórkowej i aktywacji fibroblastów.

Biodruk 3D fotoprzestrajalnych hydrożeli do badania aktywacji fibroblastów

Poznaj metodę druku 4D miękkich robotów reagujących na bodźce z wykorzystaniem hydrożeli. Technika ta umożliwia tworzenie inteligentnych systemów robotycznych dla zastosowań biomedycznych, w tym precyzyjnego transportu leków i mikrochirurgii.

Czterowymiarowy druk miękkich robotów na bazie hydrożelu reagujących na bodźce

Przeglądaj więcej filmów