Czterowymiarowy druk miękkich robotów na bazie hydrożelu reagujących na bodźce

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.