Dette manuskript beskriver en 4D-printstrategi til fremstilling af intelligente stimuli-responsive bløde robotter. Denne tilgang kan danne grundlag for at lette realiseringen af intelligente formtransformerbare bløde robotsystemer, herunder smarte manipulatorer, elektronik og sundhedssystemer.
Den nuværende protokol beskriver oprettelsen af firedimensionelle (4D), tidsafhængige, formforanderlige, stimuli-responsive bløde robotter ved hjælp af en tredimensionel (3D) bioprintmetode. For nylig er 4D-printteknikker blevet omfattende foreslået som innovative nye metoder til udvikling af formtransformerbare bløde robotter. Især 4D-tidsafhængig formtransformation er en væsentlig faktor i blød robotik, fordi den tillader effektive funktioner at forekomme på det rigtige tidspunkt og sted, når de udløses af eksterne signaler, såsom varme, pH og lys. I tråd med dette perspektiv kan stimuli-responsive materialer, herunder hydrogeler, polymerer og hybrider, udskrives for at realisere smarte formtransformerbare bløde robotsystemer. Den nuværende protokol kan bruges til at fremstille termisk responsive bløde gribere sammensat af N-isopropylacrylamid (NIPAM) -baserede hydrogeler med samlede størrelser fra millimeter til centimeter i længden. Det forventes, at denne undersøgelse vil give nye retninger for realisering af intelligente bløde robotsystemer til forskellige applikationer i smarte manipulatorer (f.eks. Gribere, aktuatorer og pick-and-place-maskiner), sundhedssystemer (f.eks. Lægemiddelkapsler, biopsiværktøjer og mikrokirurgi) og elektronik (f.eks. Bærbare sensorer og fluidik).
Udviklingen af stimuli-responsive bløde robotter er vigtig fra både tekniske og intellektuelle perspektiver. Udtrykket stimuli-responsive bløde robotter refererer generelt til enheder / systemer sammensat af hydrogeler, polymerer, elastomerer eller hybrider, der udviser formændringer som reaktion på eksterne signaler, såsom varme, pH og lys 1,2,3,4. Blandt de mange stimuli-responsive bløde robotter udfører N-isopropylacrylamid (NIPAM) hydrogelbaserede bløde robotter de ønskede opgaver eller interaktioner ved hjælp af spontan formtransformation 5,6,7,8. Generelt udviser de NIPAM-baserede hydrogeler en lav kritisk opløsningstemperatur (LCST), og hævelse (hydrofilicitet under LCST) og deswelling (hydrofobicitet over LCST) egenskabsændringer forekommer inde i hydrogelsystemet nær fysiologiske temperaturer mellem 32 ° C og 36 ° C 9,10. Denne reversible hævelses-deswelling-mekanisme nær LCST’s skarpe kritiske overgangspunkt kan generere formtransformationen af NIPAM-baserede hydrogel bløde robotter2. Som et resultat har termisk responsive NIPAM-baserede hydrogelbløde robotter forbedret driften, såsom at gå, gribe, kravle og føle, hvilket er vigtigt i multifunktionelle manipulatorer, sundhedssystemer og smarte sensorer 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Ved fremstilling af stimuli-responsive bløde robotter er tredimensionelle (3D) printmetoder blevet anvendt i vid udstrækning ved hjælp af en direkte lag-for-lag additiv proces22. En række forskellige materialer, såsom plast og bløde hydrogeler, kan printes med 3D-print23,24. For nylig er 4D-udskrivning blevet fremhævet som en innovativ teknik til at skabe formprogrammerbare bløde robotter25,26,27,28. Dette 4D-print er baseret på 3D-print, og det vigtigste kendetegn ved 4D-print er, at 3D-strukturerne kan ændre deres former og egenskaber over tid. Kombinationen af 4D-udskrivning og stimuli-responsive hydrogeler har givet en anden innovativ rute til at skabe smarte 3D-enheder, der ændrer form over tid, når de udsættes for passende eksterne stimulusudløsere, såsom varme, pH, lys og magnetiske og elektriske felter25,26,27,28 . Udviklingen af denne 4D-printteknik ved hjælp af forskellige stimuli-responsive hydrogeler har givet mulighed for fremkomsten af formtransformerbare bløde robotter, der viser multifunktionalitet med forbedrede responshastigheder og feedbackfølsomhed.
Denne undersøgelse beskriver skabelsen af en 3D-printdrevet termisk responsiv blød griber, der viser formtransformation og bevægelse. Især kan den specifikke procedure, der er beskrevet, bruges til at fremstille forskellige multifunktionelle bløde robotter med samlede størrelser, der spænder fra millimeter- til centimeterlængdeskalaer. Endelig forventes det, at denne protokol kan anvendes på flere områder, herunder bløde robotter (f.eks. smarte aktuatorer og bevægelsesrobotter), fleksibel elektronik (f.eks. Optoelektriske sensorer og lab-on-a-chip) og sundhedssystemer (f.eks. Lægemiddelleveringskapsler, biopsiværktøjer og kirurgisk udstyr).
Med hensyn til materialevalg til den bløde hybridgriber blev et multiresponsivt materialesystem sammensat af en ikke-stimuli-responsiv AAm-baseret hydrogel, en termisk responsiv NIPAM-baseret hydrogel og en magnetisk responsiv ferrogel først forberedt for at give den bløde hybridgriber mulighed for at udvise programmerbar bevægelse og formtransformation. På grund af deres termisk responsive hævelsesnedbrydende egenskaber udviser NIPAM-baserede hydrogeler bøjning, foldning eller rynke, når de fremstilles som dobbe…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne anerkender taknemmeligt støtte fra National Research Foundation of Korea (NRF) tilskud finansieret af den koreanske regering (MSIT) (nr. 2022R1F1A1074266).
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 | Φ3×0 |
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 |