Summary
تصف هذه المخطوطة استراتيجية الطباعة 4D لتصنيع الروبوتات اللينة الذكية المستجيبة للمحفزات. يمكن أن يوفر هذا النهج الأساس لتسهيل تحقيق أنظمة روبوتية ناعمة ذكية قابلة للتحويل ، بما في ذلك المتلاعبين الأذكياء والإلكترونيات وأنظمة الرعاية الصحية.
Abstract
يصف البروتوكول الحالي إنشاء روبوتات ناعمة رباعية الأبعاد (4D) ، تعتمد على الوقت ، قابلة لتغيير الشكل ، مستجيبة للمحفزات باستخدام طريقة الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد (3D). في الآونة الأخيرة ، تم اقتراح تقنيات الطباعة 4D على نطاق واسع كطرق جديدة مبتكرة لتطوير الروبوتات اللينة القابلة للتحويل. على وجه الخصوص ، يعد تحويل الشكل المعتمد على الوقت 4D عاملا أساسيا في الروبوتات اللينة لأنه يسمح بحدوث وظائف فعالة في الوقت والمكان المناسبين عند تشغيلها بواسطة إشارات خارجية ، مثل الحرارة ودرجة الحموضة والضوء. تماشيا مع هذا المنظور ، يمكن طباعة المواد المستجيبة للمحفزات ، بما في ذلك الهلاميات المائية والبوليمرات والهجينة ، لتحقيق أنظمة روبوتية ناعمة ذكية قابلة للتحويل. يمكن استخدام البروتوكول الحالي لتصنيع القابضات اللينة المستجيبة حراريا والتي تتكون من الهلاميات المائية القائمة على N-isopropylacrylamide (NIPAM) ، بأحجام إجمالية تتراوح من ملليمترات إلى سنتيمترات في الطول. من المتوقع أن توفر هذه الدراسة اتجاهات جديدة لتحقيق أنظمة روبوتية ناعمة ذكية لمختلف التطبيقات في المتلاعبين الأذكياء (على سبيل المثال ، القابضون والمحركات وآلات الالتقاط والمكان) ، وأنظمة الرعاية الصحية (على سبيل المثال ، كبسولات الأدوية ، وأدوات الخزعة ، والعمليات الجراحية الدقيقة) ، والإلكترونيات (على سبيل المثال ، أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء والسوائل).
Introduction
يعد تطوير الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات أمرا مهما من المنظورين التقني والفكري. يشير مصطلح الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات عموما إلى الأجهزة / الأنظمة المكونة من الهلاميات المائية أو البوليمرات أو اللدائن أو الهجينة التي تظهر تغيرات في الشكل استجابة للإشارات الخارجية ، مثل الحرارة ودرجة الحموضة والضوء1،2،3،4. من بين العديد من الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات ، تقوم الروبوتات اللينة القائمة على الهيدروجيل N-isopropylacrylamide (NIPAM) بالمهام أو التفاعلات المطلوبة باستخدام تحويل الشكل التلقائي5،6،7،8. بشكل عام ، تظهر الهلاميات المائية القائمة على NIPAM درجة حرارة منخفضة للمحلول الحرج (LCST) ، ويحدث تورم (محبة للماء أقل من LCST) وإزالة التورم (الكارهة للماء فوق LCST) داخل نظام الهيدروجيل بالقرب من درجات الحرارة الفسيولوجية بين 32 درجة مئوية و 36 درجة مئوية 9,10. يمكن لآلية التورم وإزالة التورم القابلة للانعكاس هذه بالقرب من نقطة الانتقال الحرجة الحادة ل LCST أن تولد تحولا في شكل روبوتات هيدروجيل لينة قائمة على NIPAM2. نتيجة لذلك ، قامت روبوتات هيدروجيل لينة القائمة على NIPAM المستجيبة للحرارة بتحسين العمليات ، مثل المشي والإمساك والزحف والاستشعار ، والتي تعتبر مهمة في المتلاعبين متعددي الوظائف وأنظمة الرعاية الصحية وأجهزة الاستشعار الذكية2،3،4،11،12،13،14،15،16،17 ، 18،19،20،21.
في تصنيع الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات ، تم استخدام مناهج الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) على نطاق واسع باستخدام عملية مضافة مباشرة طبقة تلو الأخرى22. يمكن طباعة مجموعة متنوعة من المواد ، مثل البلاستيك والهلاميات المائية الناعمة ، باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد23,24. في الآونة الأخيرة ، تم تسليط الضوء على الطباعة 4D على نطاق واسع كتقنية مبتكرة لإنشاء روبوتات لينة قابلة للبرمجة الشكل25،26،27،28. تعتمد هذه الطباعة 4D على الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والسمة الرئيسية للطباعة 4D هي أن الهياكل ثلاثية الأبعاد يمكنها تغيير أشكالها وخصائصها بمرور الوقت. وقد وفر الجمع بين الطباعة 4D والهلاميات المائية المستجيبة للمحفزات طريقا مبتكرا آخر لإنشاء أجهزة 3D ذكية تغير شكلها بمرور الوقت عند تعرضها لمحفزات التحفيز الخارجية المناسبة ، مثل الحرارة ودرجة الحموضة والضوء والمجالات المغناطيسية والكهربائية25،26،27،28 . وقد أتاح تطوير تقنية الطباعة 4D هذه باستخدام الهلاميات المائية المتنوعة المستجيبة للمحفزات فرصة لظهور روبوتات ناعمة قابلة للتحويل الشكل تعرض وظائف متعددة مع سرعات استجابة محسنة وحساسية للتغذية المرتدة.
تصف هذه الدراسة إنشاء القابض الناعم المستجيب حراريا الذي يحركه الطباعة 3D والذي يعرض تحول الشكل والحركة. والجدير بالذكر أنه يمكن استخدام الإجراء المحدد الموصوف لتصنيع العديد من الروبوتات اللينة متعددة الوظائف بأحجام إجمالية تتراوح من مقاييس الطول المليمترية إلى السنتيمترية. أخيرا ، من المتوقع أن يتم تطبيق هذا البروتوكول في العديد من المجالات ، بما في ذلك الروبوتات اللينة (على سبيل المثال ، المحركات الذكية وروبوتات الحركة) ، والإلكترونيات المرنة (على سبيل المثال ، أجهزة الاستشعار الكهروضوئية والمختبر على رقاقة) ، وأنظمة الرعاية الصحية (على سبيل المثال ، كبسولات توصيل الأدوية وأدوات الخزعة والأجهزة الجراحية).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
يتكون القابض الناعم المستجيب للمحفزات من ثلاثة أنواع مختلفة من الهلاميات المائية: هيدروجيل غير مستجيب للمحفزات (AAm) قائم على مادة الأكريلاميد (AAm) ، هيدروجيل قائم على مادة الأكريلاميد N-isopropyl (NIPAM) المستجيب حراريا ، و ferrogel المستجيب المغناطيسي (الشكل 1). تم تحضير أحبار الهيدروجيل الثلاثة عن طريق تعديل الطرق المنشورة سابقا29،30،31. البيانات المقدمة في هذه الدراسة متاحة عند الطلب من المؤلف المقابل.
1. تحضير أحبار هيدروجيل
- أحبار هيدروجيل غير مستجيبة للمحفزات AAm (الشكل 1 أ)
- قم بتخفيف مادة الأكريلاميد (AAm) ، والرابط المتشابك N ، و N'-methylenebisacrylamide (BIS) (انظر جدول المواد) ، والبادئ الضوئي 2-Hydroxy-4'- (2-hydroxyethoxy) -2-methylpropiophenone (انظر جدول المواد) في الماء المقطر (DI) باستخدام محرك مغناطيسي لمدة 24 ساعة.
- دوامة عامل ترقق القص ، لابونيت RD نانوكلاي ، وصبغة الفلوريسئين O-methacrylate (انظر جدول المواد) عند 1150 دورة في الدقيقة لمدة 6 ساعات على الأقل حتى تخفف تماما.
- قم بإعداد أوزان محددة من حبر هيدروجيل قائم على AAm لكل إجمالي 20 مل من قاعدة المحلول: 1.576 جم من AAm ، 0.332 جم من BIS ، 1.328 جم من laponite RD ، 0.166 جم من البادئ الضوئي ، 0.1 مجم من NaOH ، 0.1 مجم من فلوريسئين O-ميثاكريلات (انظر جدول المواد) ، و 16.594 جم من ماء DI.
- بعد التخفيف الكلي ، انقل حبر الهيدروجيل القائم على AAm إلى خرطوشة طباعة 3D فارغة (انظر جدول المواد) باستخدام حقنة.
- أحبار هيدروجيل قائمة على NIPAM مستجيبة للمحفزات (الشكل 1 ب)
- تمييع N-isopropyl acrylamide (NIPAM) ، بولي N-isopropyl acrylamide (PNIPAM) ، والبادئ الضوئي (انظر جدول المواد) في ماء DI باستخدام محرك مغناطيسي لمدة 24 ساعة.
- دوامة عامل ترقق القص ، لابونيت RD نانوكلاي ، وصبغة فلوريسئين رودامين 6G عند 1150 دورة في الدقيقة لمدة 6 ساعات على الأقل حتى تخفف تماما.
- قم بإعداد أوزان محددة من حبر هيدروجيل قائم على NIPAM لكل إجمالي 20 مل من قاعدة المحلول: 1.692 جم من NIPAM ، 0.02 جم من pNIPAM ، 1.354 جم من laponite RD ، 0.034 جم من البادئ الضوئي ، 0.1 مجم من rhodamine 6G (انظر جدول المواد) ، و 16.92 جم من ماء DI.
- بعد التخفيف الكامل ، قم بنقل حبر هيدروجيل قائم على NIPAM إلى خرطوشة طباعة 3D فارغة باستخدام حقنة.
- أحبار فيروجيل (الشكل 1 ج)
- تحضير محلول A: تمييع مادة الأكريلاميد (AAm) والرابط المتشابك ، N ، N'-methylenebisacrylamide (BIS) ، أكسيد الحديديك (Fe2O3) ، و N ، N ، N '، N'-tetramethylethylenediamine (TMEDA) (انظر جدول المواد) في ماء DI.
- ضع في اعتبارك نسبة الوزن المحددة (بالوزن٪) للمواد: 71٪ AAm و 3.5٪ BIS و 25.5٪ Fe 2 O3 في1.2مل من ماء DI مع 10 ميكرولتر من مسرع TMEDA.
- تحضير محلول B: قم بتخفيف 0.8 جم من كبريتات الأمونيوم (APS ، انظر جدول المواد) في 10 مل من ماء DI.
- للبلمرة ، انقل 200 ميكرولتر من المحلول A و 5 ميكرولتر من محلول B إلى أنبوب طرد مركزي دقيق.
- دوامة أنبوب الطرد المركزي الدقيق لمدة 20 ثانية.
2. تحسين تصميم القابض الهجين الناعم
ملاحظة: يتكون القابض الهجين الناعم الإهليلجي من طبقة خارجية هيدروجيل قائمة على AAm ، وطبقة داخلية هيدروجيل قائمة على NIPAM ، وطبقة علوية ferrogel (الشكل 1D). تم إنشاء القابض الهجين الناعم الإهليلجي الشامل باستخدام برنامج AutoCAD (انظر جدول المواد).
- تصميم طبقة هيدروجيل ثنائية الأبعاد قائمة على AAm
- ارسم شكلا بيضاويا بمحور رأسي 24 مم ومحور أفقي 20 مم في الجزء الخارجي.
- ارسم شكلا بيضاويا آخر بمحور رأسي 20.8 مم ومحور أفقي 16.8 مم بنفس نقطة المركز مثل الشكل المرسوم في الخطوة 2.1.1.
- ارسم قوسا من ثلاث نقاط يمر عبر النقاط (−8.24 ، 2) ، (0 ، 6) ، و (8.24 ، 2) بعيدا عن النقطة المركزية للقطع الناقص.
- تقليم الجزء العلوي الصغير من الكسوف مقسوما على القوس.
- تصميم طبقة هيدروجيل ثنائية الأبعاد قائمة على NIPAM
- ارسم بيضاوي بمحور رأسي 20.2 مم ومحور أفقي 16.4 مم بنفس نقطة المركز مثل الشكل المرسوم في الخطوة 2.1.1.
- ارسم قطعا ناقصا بمحور رأسي 16.16 مم ومحور أفقي 13.12 مم بنفس نقطة المركز مثل الشكل المرسوم في الخطوة 2.1.1.
- ارسم قوسا من ثلاث نقاط يمر عبر النقاط (−7.86 ، 1.83) ، (0 ، 5.6) ، و (7.86 ، 1.83) بعيدا عن النقطة المركزية للقطع الناقص.
- ارسم قوسا من ثلاث نقاط يمر عبر النقاط (−5.47 ، 1.64) ، (0 ، 3.18) ، و (5.47 ، 1.64) بعيدا عن النقطة المركزية للقطع الناقص.
- تقليم الجزء العلوي الصغير من علامات الحذف مقسوما على الأقواس.
- لعمل قاعدة ، ارسم قوسا بنقطتين بعيدا عن نقطة المركز عند (-4.75 ، -2.71) و (4.75 ، -2.71) كنقاط نهاية ونقطة واحدة بعيدا عن نقطة المركز عند (0 ، -4.59).
- تصميم طبقة فيروجيل ثنائية الأبعاد
- ارسم قوسا من ثلاث نقاط يمر عبر النقاط (−7 ، 4.92) ، (0 ، 9.2) ، و (7 ، 4.92) بعيدا عن النقطة المركزية للقطع الناقص.
- ارسم قوسا من ثلاث نقاط يمر عبر النقاط (−7 ، 4.92) ، (0 ، 7.6) ، و (7 ، 4.92) بعيدا عن النقطة المركزية للقطع الناقص.
- تصميم أطراف القابض ثنائية الأبعاد
- لجعل جزء الإمساك من القابض ، قم بقطع 0.8 مم من كل جانب من خط الوسط في أسفل القطع الناقص.
- تصميم قابض هجين ثلاثي الأبعاد
- لتحويل تصميم القابض الهجين ثنائي الأبعاد الشامل إلى 3D ، قم ببثق قاعدة الجل المتجاوب بمقدار 0.8 مم ، وقذف الجل غير المستجيب ، والشكل البيضاوي المقطوع للهلام المتجاوب ، والهلام الحديدي بمقدار 2.5 مم.
3. الطباعة ثلاثية الأبعاد للقابض الهجين الناعم
- قم بإنشاء G-code 30 لكل هيكل تم إنشاؤه في الخطوة 2 باستخدام برنامج Slic3r (انظر جدول المواد) بارتفاع طبقة 0.4 مم وسرعة طباعة10 مم −1 وكثافة تعبئة تبلغ 75٪. قم بتحرير ملف G-code باستخدام رؤوس طباعة مزدوجة.
- احفظ ملف G-code على بطاقة رقمية آمنة (SD) ، وقم بتوصيله بالطابعة ثلاثية الأبعاد (انظر جدول المواد) لإنشاء مسارات الطباعة الخاصة بالقابض الناعم.
- قم بتوصيل التحكم في ضغط مضخة الهواء بالطابعة ثلاثية الأبعاد.
- اختر أطراف فوهة بأقطار 0.25 مم و 0.41 مم للهيدروجيل القائم على NIPAM والهيدروجيل القائم على AAm ، على التوالي.
- قم بتوصيل خرطوشة هيدروجيل القائمة على AAm بالفوهة 1 وخرطوشة الهيدروجيل القائمة على NIPAM بالفوهة 2.
- تحقق مما إذا كان رأسي الطباعة للخراطيش في نفس الموضع على المحور z.
- قم بمعايرة إحداثيات X و Y بدقة لتجنب الاختلالات بين الفوهتين.
- اضبط ضغط الطباعة على 20-25 كيلو باسكال للهيدروجيل القائم على AAm وعلى 10-15 كيلو باسكال للهيدروجيل القائم على NIPAM.
- كرر الخطوات 3.5-3.8 عند طباعة كل عينة بالكامل (الشكل 2 أ).
4. المعالجة الضوئية للأشعة فوق البنفسجية للقابض الهجين الناعم
- قبل المعالجة الضوئية بالأشعة فوق البنفسجية ، قم بحقن أحبار ferrogel المستجيبة للمجال المغناطيسي (المعدة في الخطوة 1.3) في منطقة الثقب الرقيق المستهدفة للقابض الناعم المطبوع ثلاثي الأبعاد باستخدام حقنة.
- بعد حقن ferrogel ، ضع هيكل القابض داخل غرفة مصدر الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة 365 نانومتر لمدة 6 دقائق. ثبت شدة ضوء الأشعة فوق البنفسجية عند 4.9 مللي جول / ثانية.
- بعد المعالجة الضوئية بالأشعة فوق البنفسجية ، انقل هيكل القابض إلى حمام مائي DI لمدة 24 ساعة على الأقل حتى يصل إلى حالة توازن منتفخة بالكامل (الشكل 2B-D).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم أخذ الهيدروجيل القائم على NIPAM في الاعتبار بشكل أساسي عند تصميم القابض الناعم المستجيب حراريا بسبب LCST الحاد ، مما يجعله يظهر خصائص كبيرة للتورم والتورم 9,10. بالإضافة إلى ذلك ، تم اعتبار الهيدروجيل القائم على AAm كنظام غير مستجيب للمحفزات لزيادة تحويل شكل القابض الهجين الناعم مع تقليل تفريغ الواجهة أثناء عمليات التسخين والتبريد المتعددة. بالإضافة إلى ذلك ، تم دمج ferrogel في هذا النظام الهجين لإنشاء قابض هجين ناعم يستجيب للمجال المغناطيسي للتحكم غير المربوط في الحركة التي يحركها المجال المغناطيسي. على وجه الخصوص ، يجب إجراء حقن حبر ferrogel قبل البلمرة لتجنب الانفصال عن هيكل هيدروجيل قائم على NIPAM.
تم النظر في تشغيل الفتح والإغلاق المستجيبة حراريا في المقام الأول لتحديد الهندسة المثلى للقابض الهجين. في البداية ، تم تقييم تورم وإزالة التورم في الهلاميات المائية القائمة على NIPAM و AAm عن طريق قياس تغيرات القطر من درجة حرارة الغرفة إلى 60 درجة مئوية. بناء على هذا التحقق من قوة التورم ، تم وضع الهيدروجيل القائم على AAm في الجزء الخارجي من الطبقة الهيكلية ، وتم وضع الهيدروجيل القائم على NIPAM داخل الطبقة المستجيبة. تحقق هذا العمل من وظيفة الإمساك للعديد من الهياكل المختلفة للقابض الهجين ، مثل الهندسة الدائرية والإهليلجية. على وجه التحديد ، تم اختيار شكل بيضاوي عام مع لوحة مسطحة قائمة على NIPAM بالداخل لزيادة قوة التورم وإزالة التورم للسماح للجهاز بالإمساك جيدا وتثبيت الأهداف بأمان دون إسقاطها أثناء مهام الالتقاط والمكان. بالإضافة إلى ذلك ، تم تصميم منطقة ferrogel متماثلة على شكل هلال أعلى الهيكل الإهليلجي لدمج الحركة الدقيقة المستجيبة للمغناطيس للقابض الهجين.
تم تصنيع القابض الهجين باستخدام طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد المضافة الموجهة نحو المسار (الشكل 3). أولا ، تمت طباعة الهيدروجيل القائم على AAm على السطح الخارجي للقابض كطبقة داعمة للهيكل (الشكل 3 أ) ، ثم تمت طباعة الهيدروجيل القائم على NIPAM في الداخل كطبقة مستجيبة للمحفزات (الشكل 3 ب). بعد ذلك ، تم حقن ferrogel في البئر في الجزء العلوي من القابض الهجين (الشكل 3C). بالنسبة للخطوة الأولى من عمليات الطباعة والحقن ثلاثية الأبعاد المزدوجة ، تم نقل الهلاميات المائية المركبة القائمة على AAm والقائمة على NIPAM بعناية إلى خرطوشة ثلاثية الأبعاد فارغة حتى لا تسمح للهواء بالدخول. كان لا بد من إجراء حقن ferrogel للاتصال بدقة مع طبقة هيدروجيل الهيكلية القائمة على AAm بعناية لتجنب الفقاعات.
تم التحقق من مجموعة متنوعة من معلمات الطباعة ، مثل ضغط الطباعة والسرعة وقطر الفوهة وتكوين الحبر ، لتحديد ظروف الطباعة 3D المثلى. لاحظنا أن الخصائص اللزجة المرنة للأحبار كانت أهم المعلمات للحصول على طباعة دقيقة وعمليات المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية. يتم تحديد الخصائص اللزجة المرنة بشكل أساسي من خلال نسبة وزن عامل التخفيف المطلق (على سبيل المثال ، laponite RD). لتحديد السمات الريولوجية المناسبة لمحاليل الحبر ، من الضروري ضبط عامل ترقق القص للطباعة الدقيقة والتصلب السريع بعد الطباعة وقبل عملية المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية. بالإضافة إلى ذلك ، كان لا بد من توصيل طبقات الهيدروجيل المستندة إلى AAm و NIPAM بدقة دون تداخل أو فجوات بينهما أثناء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد. يمكن أن يؤدي اختلال صغير في اتجاهات X-Y وإزاحة في الاتجاه Z أثناء عملية الطباعة المزدوجة 3D إلى أخطاء كبيرة في الهيكل النهائي. في حالة ملاحظة أي اختلال في المحاذاة، يجب محاذاة الموضع المضبوط مسبقا لاتجاهي X وY مع إزاحة في الاتجاه Z في G-code مرة أخرى في كل خطوة طباعة حتى تتم محاذاة رؤوس الطباعة المزدوجة تماما. لتحقيق هياكل قابض محاذاة بدقة دون أي أخطاء ، تم إدخال علامات معايرة صغيرة على شكل مكعب في الزوايا الأربع للحفاظ على مركز كل هيكل.
قام القابض الهجين الناعم بمهمة الالتقاط والمكان عبر التشغيل المستجيب حراريا والحركة المغناطيسية. في البداية ، لوحظ تشغيل مستجيب حراريا للقابض الهجين الناعم. عندما ارتفعت درجة الحرارة فوق درجة حرارة المحلول الحرج المنخفضة (LCST) ، تقلص الجل القائم على NIPAM ، وأغلق طرف القابض ، بسبب إزالة تورم الهيدروجيل القائم على NIPAM. في المقابل ، تم فتح طرف القابض للقابض الهجين الناعم عندما انخفضت درجة الحرارة إلى ما دون LCST ، بسبب تورم هيدروجيل قائم على NIPAM (الشكل 4 أ). بالإضافة إلى ذلك ، تحققنا من أن دمج ferrogel لم يؤثر على طي القابض الهجين الناعم أثناء التغيرات في درجات الحرارة.
تم تصنيع متاهة بسيطة باستخدام طابعة 3D ، مملوءة بماء DI ، ووضعها على طبق ساخن. ثم تم وضع القابض الهجين الناعم المنتفخ بالكامل في موضع البداية للمتاهة في حالة فتح الطرف ، وتم وضع بطارخ السلمون في المنطقة المستهدفة. تم توجيه القابض الهجين الناعم باستخدام مغناطيس خارجي حتى وصل إلى بطارخ السلمون. بعد ذلك ، أغلق طرف القابض الهجين الناعم للإمساك ببطارخ السلمون عندما وصلت درجة الحرارة إلى 40 درجة مئوية. أخيرا ، تم نقل القابض الهجين الناعم من المتاهة أثناء الإمساك ببطارخ السلمون ، ثم أطلق بطارخ السلمون في المنطقة المستهدفة في حالة فتح الطرف عند درجة حرارة الغرفة 25 درجة مئوية (الشكل 4 ب). حافظ بطارخ السلمون على شكله دون أي ضرر خلال مهمة الالتقاط والمكان بأكملها. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام مغناطيس النيوديميوم لتوجيه القابض الهجين الناعم أثناء الحركة المغناطيسية المستجيبة.
الشكل 1: تحضير الهيدروجيل وتصميم القابض الهجين الناعم . (أ) هيدروجيل قائم على AAm. (ب) هيدروجيل قائم على NIPAM. (ج) أحبار فيروجيل. (د) تصميم القابض الهجين الناعم المصنوع باستخدام برنامج AutoCAD و Slic3r. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: عملية تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد للقابض الهجين الناعم . (أ) أوضاع طباعة مزدوجة مع هيدروجيل قائم على AAm وأحبار هيدروجيل قائمة على NIPAM. (ب) طبقة فيروجيل. (ج) المعالجة الضوئية بالأشعة فوق البنفسجية. د: حالة الاتزان في الماء DI. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3. تصنيع القابض الهجين الناعم. (أ) طبقة هيدروجيل خارجية غير مستجيبة للمحفزات القائمة على Aam. (ب) طبقة هيدروجيل داخلية مستجيبة للمحفزات NIPAM. ج: طبقة فيروجيل. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 4. تشغيل وحركة القابض الهجين الناعم. (أ) التشغيل المستجيب حراريا للقابض الهجين الناعم. (ب) عرض مهام الالتقاط والمكان باستخدام القابض الهجين الناعم. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
فيما يتعلق باختيار المواد للقابض الهجين الناعم ، تم إعداد نظام مواد متعدد الاستجابة يتكون من هيدروجيل قائم على AAm غير مستجيب للمحفزات ، وهيدروجيل قائم على NIPAM مستجيب حراريا ، و ferrogel مستجيب مغناطيسي لأول مرة للسماح للقابض الهجين الناعم بإظهار حركة قابلة للبرمجة وتحويل الشكل. نظرا لخصائصها المستجيبة حراريا للتورم وإزالة التورم ، فإن الهلاميات المائية القائمة على NIPAM تظهر الانحناء أو الطي أو التجاعيد عند تصنيعها كهياكل ثنائية الطبقة أو ثنائية الشريط مع هلاميات مائية ذات خصائص تورم مختلفة ، مثل الهلاميات المائية القائمة على AAm1. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تصميم الهلاميات المائية لتكون مستجيبة مغناطيسيا عن طريق تضمين جسيمات أكسيد الحديد (Fe2O3) النانوية. الأهم من ذلك ، يمكن أن يلعب هذا الفيروجيل القائم على مادة الأكريلاميد Fe2O3 دورا مهما في تمكين الاستجابة المغناطيسية لتسهيل الحركة التي يحركها المجال المغناطيسي للروبوت الناعم. على وجه الخصوص ، تم اقتراح استخدام الهلاميات المائية المستجيبة مغناطيسيا في الأنظمة الروبوتية اللينة غير المربوطة القائمة على الهيدروجيل ، والتي من شأنها أن توفر مناهج أقل توغلا في البيئات المزدحمة ديناميكيا32.
الأهم من ذلك ، أن القابض الهجين الناعم يتطلب التصاق جيد بين الهلاميات المائية الثلاثة. عندما يكون الالتصاق ضعيفا ، سيتم فك الواجهة بين الهلاميات المائية أثناء التورم المتكرر وإزالة التورم استجابة للمشغلات الخارجية. على وجه الخصوص ، تم إدخال الهلاميات المائية القائمة على مادة الأكريلاميد لضمان الالتصاق جيد تحت المعالجة المتكررة المستجيبة حراريا ومغناطيسيا وحركة القابض الهجين الناعم. بالإضافة إلى ذلك ، تم التحقق من تورم وإزالة التورم من الهلاميات المائية القائمة على NIPAM المستجيبة للحرارة وغير المستجيبة للمحفزات القائمة على AAm لتوقع درجة انحناء القابض الهجين الناعم. وتجدر الإشارة إلى أن نموذج المحاكاة القائم على إطار الديناميكا الحرارية مع تورم هيدروجيل (على سبيل المثال ، نموذج Flory-Huggins) والميكانيكا (على سبيل المثال ، نموذج Neo-Hochin) يمكن أن يساعد في تحديد مدى الانحناء كدالة للتورم ودرجة الحرارة8. بناء على هذه التوصيف التجريبي والنظري لطي القابض ، تم اختيار طبقة هيدروجيل قائمة على NIPAM مستجيبة حراريا للجزء الداخلي ، وتم اختيار طبقة هيدروجيل غير مستجيبة للمحفزات AAm للجزء الخارجي للسماح بثني أطراف الإمساك في المركز مع زيادة درجات الحرارة.
فيما يتعلق بتصنيع القابض الهجين الناعم ، يمكن استخدام عملية الطباعة رباعية الأبعاد (4D) المعتمدة على الوقت لإنشاء روبوتات ناعمة متنوعة تستجيب للمحفزات مع نطاق واسع الحجم من المليمترات إلى السنتيمترات. في الآونة الأخيرة ، قدم الجمع بين الطباعة 4D والمواد الذكية المستجيبة للمحفزات طريقا جديدا لتطوير هياكل 3D ذكية قابلة للتحويل عند تعرضها لمصدر تحفيز مناسب. جنبا إلى جنب مع تقنية الطباعة 4D باستخدام هيدروجيل قابل للبرمجة يستجيب للمحفزات ، يمكن أن تقدم مسارات الطباعة ثلاثية الأبعاد المتنوعة للمواد المستجيبة للمحفزات أشكال هندسية منتفخة نهائية مختلفة تعرض هياكل منحنية أو ملفوفة أو مطوية أو حلزونية مختلفة26. وقد اجتذب تطوير هذه الاستراتيجية المبتكرة للطباعة 4D اهتماما كبيرا نظرا لقابليتها الكبيرة للتوسع وقابلية التصنيع لإنشاء روبوتات ناعمة ذكية تستجيب للمحفزات.
ومع ذلك ، فإن الطباعة 4D من الهلاميات المائية المتنوعة تتطلب العديد من التحديات التي يجب التغلب عليها. أولا ، وقت الاستجابة للتشغيل القابل للتغيير الشكل للهلاميات المائية المطبوعة 4D بطيء نوعا ما. هناك حاجة إلى مزيد من الضبط الدقيق لتكوين الهيدروجيل المتكامل مع المواد الوظيفية (على سبيل المثال ، الجسيمات النانوية ، والمواد منخفضة الأبعاد ، والبلورات السائلة ، وحتى الحمض النووي البيولوجي) لتحسين وقت الاستجابة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب التحقق مرة أخرى من معايرة تحديد المواقع لاتجاه Z ومحاذاة اتجاهات X-Y في كل خطوة أثناء عملية الطباعة المزدوجة. للحصول على عملية طباعة مستمرة دون أي اختلال في المحاذاة، يجب التحقق مرة أخرى من القيم المعينة مسبقا في الاتجاهات X وY وZ في ملفات G-code وتكرارها عدة مرات حتى تتم محاذاة رؤوس الطباعة بشكل مثالي.
من منظور التطبيق ، تقدم هذه الورقة القابضات الهجينة اللينة المستجيبة حراريا ومغناطيسيا والتي تؤدي مهام الالتقاط والمكان بنشاط. تعد العملية المتسلسلة للإمساك بجسم بأمان وإمساكه بأمان أمرا بالغ الأهمية في الروبوتات اللينة. أظهر القابض الناعم المستجيب للمحفزات إمكانية تطوير نظام معالجة ذكي يمكنه الإمساك بالأشياء وإطلاقها بدقة بطريقة أقل توغلا أو غير جراحية وفقا لعملية تشغيل وإيقاف المحفزات الخارجية32. في الآونة الأخيرة ، لتحقيق الحركة الآلية للقابض الناعم لمهام الالتقاط والمكان الدقيقة ، تم تطوير أنظمة المجال المغناطيسي المتدرج المقترنة بالموجات فوق الصوتية في33 بالتوازي. على الرغم من أنه لا يزال على المستوى المفاهيمي ، فإننا نتوقع أن يوفر هذا البروتوكول المحدد للطباعة 4D للقابض الهجين المستجيب للمحفزات الناعمة أساسا لمزيد من التقدم الكبير في تطوير الروبوتات اللينة التي يمكن التحكم فيها بدقة والحساسة للغاية ومتعددة الوظائف للمحفزات الذكية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
يعلن المؤلفون عدم وجود تضارب في المصالح.
Acknowledgments
يقر المؤلفون بامتنان بالدعم المقدم من منحة المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) الممولة من الحكومة الكورية (MSIT) (رقم 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 |
References
- Gracias, D. H. Stimuli responsive self-folding using thin polymer films. Current Opinion in Chemical Engineering. 2 (1), 112-119 (2013).
- Zhang, Y. S., Khademhosseini, A. Advances in engineering hydrogels. Science. 356 (6337), (2017).
- Erol, O., Pantula, A., Liu, W., Gracias, D. H. Transformer hydrogels: A review. Advanced Materials Technologies. 4 (4), 1900043 (2019).
- Liu, X., Liu, J., Lin, S., Zhao, X. Hydrogel machines. Materials Today. 36, 102-124 (2020).
- Hu, Z., Zhang, X., Li, Y. Synthesis and application of modulated polymer gels. Science. 269 (5223), 525-527 (1995).
- Klein, Y., Efrati, E., Sharon, E. Shaping of elastic sheets by prescription of non-Euclidean metrics. Science. 315 (5815), 1116-1120 (2007).
- Kim, J., Hanna, J. A., Byun, M., Santangelo, C. D., Hayward, R. C. Design responsive buckled surfaces by halftone gel lithography. Science. 335 (6073), 1201-1205 (2012).
- Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (5), 3398-3405 (2015).
- Schild, H. G. Poly (N-isopropylacrylamide): Experiment, theory and application. Progress in Polymer Science. 17 (2), 163-249 (1992).
- Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. -C., Sharma, N., Zhou, Y. Stimuli-responsive polymer gels. Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).
- Stuart, M. A., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).
- Ionov, L. Biomimetic hydrogel-based actuating systems. Advanced Functional Materials. 23 (36), 4555-4570 (2013).
- Ghosh, A., et al. Stimuli-responsive soft untethered grippers for drug delivery and robotic surgery. Frontiers in Mechanical Engineering. 3, 7 (2017).
- Kirillova, A., Ionov, L. Shape-changing polymers for biomedical applications. Journal of Materials Chemistry B. 7, 1597-1624 (2019).
- Le, X., Lu, W., Zhang, J., Chen, T. Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators. Advanced Science. 6 (5), 1801584 (2019).
- Xu, W., Gracias, D. H. Soft three-dimensional robots with hard two-dimensional materials. ACS Nano. 13 (5), 4883-4892 (2019).
- Yoon, C. K. Advances in biomimetic stimuli responsive soft grippers. Nano Convergence. 6, 20 (2019).
- Lee, Y., Song, W. J., Sun, J. Y. Hydrogel soft robotics. Materials Today Physics. 15, 100258 (2020).
- Shen, Z., Chen, F., Zhu, X., Yong, K. T., Gu, G. Stimuli-responsive functional materials for soft robotics. Journal of Materials Chemistry B. 8, 8972-8991 (2020).
- Kim, H., et al. Shape morphing smart 3D actuator materials for micro soft robot. Materials Today. 41, 243-269 (2020).
- Ding, M., et al. Multifunctional soft machines based on stimuli-responsive hydrogels: From freestanding hydrogels to smart integrated systems. Materials Today Advances. 8, 100088 (2020).
- Wang, X., Jiang, M., Zhou, Z., Gou, J., Hui, D. 3D printing of polymer matrix composites: A review and prospective. Composites Part B: Engineering. 110, 442-458 (2017).
- Bartlett, N. W., et al. A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion. Science. 349 (6244), 161-165 (2015).
- Wehner, M., et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature. 536, 451-455 (2016).
- Tibbits, S. 4D printing: Multi-material shape change. Architectural Design. 84 (1), 116-121 (2014).
- Gladman, A. S., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L., Lewis, J. A. Biomimetic 4D printing. Nature Materials. 15, 413-418 (2016).
- Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J. A review of 4D printing. Materials & Design. 125, 42-79 (2017).
- Ionov, L. 4D biofabrication: Materials, methods, and applications. Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 1800412 (2018).
- Liu, J., et al. Dual-gel 4D printing of bioinspired tubes. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (8), 8492-8498 (2019).
- Son, H., et al. Untethered actuation of hybrid hydrogel gripper via ultrasound. ACS Macro Letters. 9 (12), 1766-1772 (2020).
- Ding, Z., Salim, A., Ziaie, B. Squeeze-film hydrogel deposition and dry micropatterning. Analytical Chemistry. 82 (8), 3377-3382 (2010).
- Ongaro, F., et al. Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments. Journal of Micro-Bio Robotics. 12, 45-52 (2017).
- Scheggi, S., et al. Magnetic motion control and planning of untethered soft grippers using ultrasound image feedback. 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE. , 6156-6161 (2017).
