Summary
Dit manuscript beschrijft een 4D-printstrategie voor het fabriceren van intelligente stimuli-responsieve zachte robots. Deze aanpak kan de basis vormen voor de realisatie van intelligente vorm-transformeerbare zachte robotsystemen, waaronder slimme manipulatoren, elektronica en gezondheidszorgsystemen.
Abstract
Het huidige protocol beschrijft de creatie van vierdimensionale (4D), tijdsafhankelijke, vormveranderlijke, stimuli-responsieve zachte robots met behulp van een driedimensionale (3D) bio-printmethode. Onlangs zijn 4D-printtechnieken uitgebreid voorgesteld als innovatieve nieuwe methoden voor het ontwikkelen van vorm-transformeerbare zachte robots. Met name 4D-tijdsafhankelijke vormtransformatie is een essentiële factor in zachte robotica omdat het effectieve functies op het juiste moment en op de juiste plaats mogelijk maakt wanneer deze worden geactiveerd door externe signalen, zoals warmte, pH en licht. In lijn met dit perspectief kunnen stimuli-responsieve materialen, waaronder hydrogels, polymeren en hybriden, worden geprint om slimme vorm-transformeerbare zachte robotsystemen te realiseren. Het huidige protocol kan worden gebruikt om thermisch responsieve soft grippers te fabriceren die zijn samengesteld uit op N-isopropylacrylamide (NIPAM) gebaseerde hydrogels, met totale afmetingen variërend van millimeters tot centimeters lang. Verwacht wordt dat deze studie nieuwe richtingen zal bieden voor het realiseren van intelligente zachte robotsystemen voor verschillende toepassingen in slimme manipulatoren (bijv. grijpers, actuatoren en pick-and-place-machines), gezondheidszorgsystemen (bijv. Medicijncapsules, biopsietools en microsurgeries) en elektronica (bijv. Draagbare sensoren en fluidics).
Introduction
De ontwikkeling van prikkelgevoelige zachte robots is belangrijk vanuit zowel technisch als intellectueel perspectief. De term stimuli-responsieve zachte robots verwijst over het algemeen naar apparaten / systemen die zijn samengesteld uit hydrogels, polymeren, elastomeren of hybriden die vormveranderingen vertonen als reactie op externe signalen, zoals warmte, pH en licht 1,2,3,4. Onder de vele stimuli-responsieve zachte robots, N-isopropylacrylamide (NIPAM) hydrogel-gebaseerde zachte robots voeren de gewenste taken of interacties uit met behulp van spontane vormtransformatie 5,6,7,8. Over het algemeen vertonen de op NIPAM gebaseerde hydrogels een lage kritische oplossingstemperatuur (LCST) en zwelling (hydrofieliteit onder de LCST) en deswelling (hydrofobiciteit boven de LCST) eigenschapsveranderingen treden op in het hydrogelsysteem in de buurt van fysiologische temperaturen tussen 32 °C en 36 °C 9,10. Dit omkeerbare zwelling-ontziltingsmechanisme in de buurt van het scherpe kritische overgangspunt van de LCST kan de vormtransformatie van nipam-gebaseerde hydrogel zachte robotsgenereren 2. Als gevolg hiervan hebben thermisch responsieve NIPAM-gebaseerde hydrogel zachte robots verbeterde operaties, zoals lopen, grijpen, kruipen en detecteren, die belangrijk zijn in multifunctionele manipulatoren, gezondheidszorgsystemen en slimme sensoren 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Bij de fabricage van stimuli-responsieve zachte robots zijn driedimensionale (3D) printbenaderingen op grote schaal gebruikt met behulp van een direct laag-voor-laag additief proces22. Een verscheidenheid aan materialen, zoals kunststoffen en zachte hydrogels, kan worden geprint met 3D-printen23,24. Onlangs is 4D-printen uitgebreid benadrukt als een innovatieve techniek voor het creëren van vormprogrammeerbare zachte robots 25,26,27,28. Dit 4D-printen is gebaseerd op 3D-printen en het belangrijkste kenmerk van 4D-printen is dat de 3D-structuren hun vormen en eigenschappen in de loop van de tijd kunnen veranderen. De combinatie van 4D-printen en stimuli-responsieve hydrogels heeft een andere innovatieve route geboden om slimme 3D-apparaten te creëren die in de loop van de tijd van vorm veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan geschikte externe stimulustriggers, zoals warmte, pH, licht en magnetische en elektrische velden 25,26,27,28 . De ontwikkeling van deze 4D-printtechniek met behulp van diverse stimuli-responsieve hydrogels heeft een kans geboden voor de opkomst van vormtransformatieerbare zachte robots die multifunctionaliteit weergeven met verbeterde responssnelheden en feedbackgevoeligheid.
Deze studie beschrijft de creatie van een 3D-printgestuurde thermisch responsieve soft gripper die vormtransformatie en voortbeweging weergeeft. Met name kan de beschreven specifieke procedure worden gebruikt om verschillende multifunctionele zachte robots te fabriceren met totale afmetingen variërend van de millimeter- tot centimeterlengteschalen. Ten slotte wordt verwacht dat dit protocol op verschillende gebieden kan worden toegepast, waaronder zachte robots (bijv. Slimme actuatoren en voortbewegingsrobots), flexibele elektronica (bijv. Opto-elektrische sensoren en lab-on-a-chip) en gezondheidszorgsystemen (bijv. Capsules voor medicijnafgifte, biopsietools en chirurgische apparaten).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
De stimuli-responsieve soft gripper was samengesteld uit drie verschillende soorten hydrogels: niet-stimuli-responsieve acrylamide (AAm) -gebaseerde hydrogel, thermisch responsieve N-isopropyl acrylamide (NIPAM) -gebaseerde hydrogel en magnetische responsieve ferrogel (figuur 1). De drie hydrogelinkten werden bereid door eerder gepubliceerde methoden te wijzigen 29,30,31. De gegevens die in deze studie worden gepresenteerd, zijn beschikbaar op verzoek van de corresponderende auteur.
1. Bereiding van hydrogelinkten
- Niet-stimuli-responsieve hydrogelinkten op basis van AAm (figuur 1A)
- Verdun de acrylamide (AAm), de crosslinker N, N'-methyleenbisacrylamide (BIS) (zie Materiaaltabel) en de foto-initiator 2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiofenon (zie Materiaaltabel) in gedestilleerd (DI) water met behulp van een magnetische roerder gedurende 24 uur.
- Vortex het afschuifverdunnende middel, laponiet RD nanoclay en fluoresceïne O-methacrylaatkleurstof (zie Tabel van materialen) bij 1.150 tpm gedurende ten minste 6 uur totdat ze volledig verdunnen.
- Bereid soortelijk gewichten van hydrogelinkt op basis van AAm per totaal 20 ml oplossingsbasis: 1,576 g AAm, 0,332 g BIS, 1,328 g laponiet RD, 0,166 g foto-initiator, 0,1 mg NaOH, 0,1 mg fluoresceïne-O-methacrylaat (zie Materiaaltabel) en 16,594 g DI-water.
- Breng na totale verdunning de hydrogelinkt op basis van AAm over in een lege 3D-printcartridge (zie Materiaaltabel) met behulp van een spuit.
- Stimuli-responsieve NIPAM-gebaseerde hydrogelinkten (figuur 1B)
- Verdun N-isopropylacrylamamide (NIPAM), poly N-isopropylacrylamryamide (PNIPAM) en de foto-initiator (zie Materiaaltabel) in DI-water met behulp van een magnetische roerder gedurende 24 uur.
- Vortex het afschuifverdunnende middel, laponiet RD nanoclay en fluoresceïne rhodamine 6G kleurstof bij 1.150 tpm gedurende ten minste 6 uur totdat ze volledig verdunnen.
- Bereid soortelijk gewichten van nipam-gebaseerde hydrogelinkt per totaal 20 ml oplossingsbasis: 1,692 g NIPAM, 0,02 g pNIPAM, 1,354 g laponiet RD, 0,034 g foto-initiator, 0,1 mg rhodamine 6G (zie materiaaltabel) en 16,92 g DI-water.
- Breng na volledige verdunning de op NIPAM gebaseerde hydrogelinkt over in een lege 3D-printcartridge met behulp van een spuit.
- Ferrogel inkten (Figuur 1C)
- Bereid de A-oplossing: Verdun acrylamide (AAm) en crosslinker, N, N'-methyleenbisacrylamide (BIS), ijzeroxide (Fe2O3) en N, N, N', N'-tetramethylethyleendiamine (TMEDA) (zie Materiaaltabel) in DI-water.
- Overweeg het soortelijk gewichtspercentage (wt%) van de materialen: 71% AAm, 3,5% BIS en 25,5% Fe2O3 in 1,2 ml DI-water met 10 μL TMEDA-versneller.
- Bereid de B-oplossing: Verdun 0,8 g ammoniumpersulfaat (APS, zie materiaaltabel) in 10 ml DI-water.
- Breng voor polymerisatie 200 μL van de A-oplossing en 5 μL van de B-oplossing over in een microcentrifugebuis.
- Vortex de microcentrifuge buis voor 20 s.
2. Optimalisatie van het soft hybrid gripper ontwerp
OPMERKING: De elliptische soft hybrid gripper bestaat uit een op AAm gebaseerde hydrogel buitenlaag, een nipam-gebaseerde hydrogel binnenlaag en een ferrogel bovenste laag (figuur 1D). De algehele elliptische soft hybrid grijper is gemaakt met behulp van de AutoCAD-software (zie Materiaaltabel).
- Tweedimensionaal AAm-gebaseerd hydrogellaagontwerp
- Teken een elliptische vorm met een verticale as van 24 mm en een horizontale as van 20 mm aan het buitenste deel.
- Teken een andere elliptische vorm met een verticale as van 20,8 mm en een horizontale as van 16,8 mm met hetzelfde middelpunt als de vorm die in stap 2.1.1 is getekend.
- Teken een driepuntsboog die door de punten (−8,24, 2), (0, 6) en (8,24, 2) van het middelpunt van de ellips loopt.
- Snijd het kleine bovenste deel van de eclips gedeeld door de boog.
- Tweedimensionaal NIPAM-gebaseerd hydrogellaagontwerp
- Teken een ovaal met een verticale as van 20,2 mm en een horizontale as van 16,4 mm met hetzelfde middelpunt als de vorm die in stap 2.1.1 is getekend.
- Teken een ellips met een verticale as van 16,16 mm en een horizontale as van 13,12 mm met hetzelfde middelpunt als de vorm die in stap 2.1.1 is getekend.
- Teken een driepuntsboog die door de punten (−7,86, 1,83), (0, 5,6) en (7,86, 1,83) van het middelpunt van de ellips loopt.
- Teken een driepuntsboog die door de punten (−5,47, 1,64), (0, 3,18) en (5,47, 1,64) van het middelpunt van de ellips loopt.
- Trimhet kleine bovenste deel van de ellipsen gedeeld door de bogen.
- Om een voetstuk te maken, teken je een boog met twee punten weg van het middelpunt op (−4,75, −2,71) en (4,75, −2,71) als beide eindpunten en één punt verwijderd van het middelpunt op (0, -4,59).
- Tweedimensionaal ferrogellaagontwerp
- Teken een driepuntsboog die door de punten (−7, 4,92), (0, 9,2) en (7, 4,92) van het middelpunt van de ellips loopt.
- Teken een driepuntsboog die door de punten (−7, 4,92), (0, 7,6) en (7, 4,92) van het middelpunt van de ellips loopt.
- Tweedimensionaal ontwerp van de grijpertips
- Om het grijpgedeelte van de grijper te maken, snijdt u 0,8 mm van elke kant van de middellijn aan de onderkant van de ellips.
- Driedimensionaal hybride grijperontwerp
- Om het algehele 2D hybride grijperontwerp in 3D om te zetten, extrudeert u het voetstuk van de responsieve gel met 0,8 mm en extrudeert u de niet-responsieve gel, de gesneden ovaal van de responsieve gel en de ferrogel met 2,5 mm.
3. Driedimensionaal printen van de soft hybrid gripper
- Genereer een G-code30 voor elke structuur die in stap 2 is gemaakt met behulp van Slic3r-software (zie Materiaaltabel) met een laaghoogte van 0,4 mm, een afdruksnelheid van 10 mms−1 en een invuldichtheid van 75%. Bewerk het G-codebestand met dubbele printkoppen.
- Sla het G-codebestand op een sd-kaart (secure digital) op en sluit het aan op de 3D-printer (zie Materiaaltabel) om de afdrukpaden van de soft gripper te genereren.
- Sluit een luchtpompdrukregeling aan op de 3D-printer.
- Kies nozzle tips met diameters van 0,25 mm en 0,41 mm voor respectievelijk de NIPAM-gebaseerde hydrogel en AAm-gebaseerde hydrogel.
- Sluit de hydrogelcartridge op basis van AAm aan op mondstuk 1 en de hydrogelcartridge op basis van NIPAM op mondstuk 2.
- Controleer of de twee printkoppen van de cartridges zich op dezelfde positie op de z-as bevinden.
- Kalibreer de X- en Y-coördinaten nauwkeurig om verkeerde uitlijningen tussen de twee spuitmonden te voorkomen.
- Stel de drukdruk in op 20-25 KPa voor de hydrogel op basis van AAm en op 10-15 KPa voor de hydrogel op basis van NIPAM.
- Herhaal stap 3.5-3.8 wanneer elk monster volledig is afgedrukt (figuur 2A).
4. UV-fotocuring van de soft hybrid gripper
- Voordat u UV-foto's maakt, injecteert u de magnetische veldresponsieve ferrogelinkten (voorbereid in stap 1.3) met behulp van een spuit in het beoogde dunnegatgebied van de 3D-geprinte softgrijper.
- Plaats na de injectie van de ferrogel de grijperstructuur gedurende 6 minuten in een UV-bronkamer met een golflengte van 365 nm. Bepaal de intensiteit van het UV-licht op 4,9 mJ/s.
- Breng na UV-fotocuring de grijperstructuur gedurende ten minste 24 uur over naar een DI-waterbad totdat deze een volledig gezwollen evenwichtstoestand bereikt (figuur 2B-D).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De op NIPAM gebaseerde hydrogel werd voornamelijk overwogen bij het ontwerpen van de thermisch responsieve zachte grijper vanwege zijn scherpe LCST, waardoor deze aanzienlijke zwellings-ontwaterende eigenschappen vertoont 9,10. Bovendien werd de op AAm gebaseerde hydrogel beschouwd als een niet-stimuli-responsief systeem om de vormtransformatie van de zachte hybride grijper te maximaliseren en tegelijkertijd de delaminatie van de interface tijdens meerdere verwarmings- en koelprocessen te verminderen. Bovendien werd ferrogel geïntegreerd in dit hybride systeem om een magnetische veldresponsieve zachte hybride grijper te creëren voor de ongebonden controle van magnetische veldaangedreven voortbeweging. In het bijzonder moet de ferrogel-inktinjectie vóór de polymerisatie worden uitgevoerd om scheiding van de op NIPAM gebaseerde hydrogelstructuur te voorkomen.
De bediening van thermisch responsief openen en sluiten werd voornamelijk overwogen om de optimale geometrie van de hybride grijper te bepalen. Aanvankelijk werden de zwelling en ontzilting van de op NIPAM gebaseerde en op AAm gebaseerde hydrogels beoordeeld door de diameterveranderingen van kamertemperatuur tot 60 °C te meten. Op basis van deze verificatie van het zwellingsvermogen werd de op AAm gebaseerde hydrogel in het buitenste deel van de structurele laag geplaatst en werd de op NIPAM gebaseerde hydrogel in de responsieve laag geplaatst. Dit werk bevestigde de grijpfunctie van verschillende structuren van de hybride grijper, zoals cirkelvormige en elliptische geometrieën. In het bijzonder werd gekozen voor een algehele elliptische vorm met een platte NIPAM-gebaseerde plaat erin om het zwellings- ontzwwellingsvermogen te vergroten, zodat het apparaat goed kan grijpen en doelen veilig kan vasthouden zonder ze te laten vallen tijdens pick-and-place-taken. Bovendien werd een symmetrisch halvemaanvormig ferrogelgebied ontworpen bovenop de elliptische structuur om de precieze magnetisch-responsieve voortbeweging van de hybride grijper te integreren.
De hybride grijper is vervaardigd met behulp van een padgeoriënteerde additieve 3D-printmethode (figuur 3). Eerst werd de op AAm gebaseerde hydrogel op de buitenkant van de grijper gedrukt als een structuurondersteunende laag (figuur 3A), en vervolgens werd de op NIPAM gebaseerde hydrogel in het interieur afgedrukt als een stimuli-responsieve laag (figuur 3B). Vervolgens werd ferrogel geïnjecteerd in de put aan de bovenkant van de hybride grijper (figuur 3C). Voor de eerste stap van de dubbele 3D-print- en injectieprocessen werden de gesynthetiseerde AAm-gebaseerde en NIPAM-gebaseerde hydrogels zorgvuldig overgebracht naar een lege 3D-cartridge om geen lucht binnen te laten. De injectie van de ferrogel om precies aan te sluiten op de op AAm gebaseerde structurele hydrogellaag moest zorgvuldig worden uitgevoerd om bellen te voorkomen.
Verschillende afdrukparameters, zoals de printdruk, snelheid, nozzlediameter en inktsamenstelling, werden geverifieerd om de optimale 3D-printomstandigheden te bepalen. We zagen dat de visco-elastische eigenschappen van de inkten de belangrijkste parameters waren voor het verkrijgen van nauwkeurige print- en UV-uithardingsprocessen. De visco-elastische eigenschappen worden voornamelijk bepaald door de gewichtsverhouding van het pure verdunningsmiddel (bijv. laponiet RD). Om de juiste reologische kenmerken van de inktoplossingen te identificeren, is het essentieel om het afschuifverdunningsmiddel aan te passen voor nauwkeurig afdrukken en snelle stolling na het afdrukken en vóór het UV-uithardingsproces. Bovendien moesten de op AAm gebaseerde en NIPAM-gebaseerde hydrogellagen nauwkeurig worden aangesloten zonder overlap of openingen ertussen tijdens het 3D-printproces. Een kleine verkeerde uitlijning in de X-Y-richting en een offset in de Z-richting tijdens het dubbele 3D-printproces kan leiden tot aanzienlijke fouten in de uiteindelijke structuur. Als er een verkeerde uitlijning wordt waargenomen, moet de vooraf ingestelde positionering van de X- en Y-richting met een offset in de Z-richting in de G-code bij elke afdrukstap opnieuw worden uitgelijnd totdat de dubbele printkoppen perfect zijn uitgelijnd. Om nauwkeurig uitgelijnde grijperstructuren zonder fouten te bereiken, werden kleine kubusvormige kalibratiemarkeringen op de vier hoeken geplaatst om het midden van elke structuur te behouden.
De soft hybrid gripper voerde een pick-and-place taak uit via thermisch responsieve bediening en magnetische voortbeweging. Aanvankelijk werd thermisch responsieve bediening van de soft hybrid gripper waargenomen. Toen de temperatuur boven de lagere kritische oplossingstemperatuur (LCST) steeg, kromp de op NIPAM gebaseerde gel en sloot de grijperpunt, als gevolg van de ontluchting van de op NIPAM gebaseerde hydrogel. Daarentegen opende de grijperpunt van de zachte hybride grijper toen de temperatuur onder de LCST daalde, als gevolg van de zwelling van de op NIPAM gebaseerde hydrogel (figuur 4A). Bovendien hebben we geverifieerd dat de opname van ferrogel geen invloed had op het vouwen van de zachte hybride grijper tijdens temperatuurveranderingen.
Een eenvoudig doolhof met behulp van een 3D-printer werd gefabriceerd, gevuld met DI-water en op een kookplaat geplaatst. De volledig gezwollen soft hybrid grijper werd vervolgens op de startpositie van het doolhof in een tip-open toestand geplaatst en zalmkuit werd in het doelgebied geplaatst. De zachte hybride grijper werd met behulp van een externe magneet geleid totdat deze de zalmkuit bereikte. Vervolgens sloot de punt van de soft hybrid gripper om de zalmkuit vast te pakken wanneer de temperatuur 40 °C bereikte. Ten slotte werd de zachte hybride grijper uit het doolhof gehaald terwijl hij de zalmkuit vasthield, waarna hij de zalmkuit in een tip-open toestand op het doelgebied losliet bij een kamertemperatuur van 25 °C (figuur 4B). De zalmkuit behield zijn vorm zonder enige schade tijdens de hele pick-and-place taak. Daarnaast werden neodymium magneten gebruikt om de soft hybrid gripper te begeleiden tijdens de magnetisch-responsieve voortbeweging.
Figuur 1: Hydrogelvoorbereiding en het soft hybrid gripper-ontwerp. (A) Hydrogel op basis van AAm. (B) Hydrogel op basis van NIPAM. (C) Ferrogel inkten. (D) Het soft hybrid gripper-ontwerp gemaakt met behulp van AutoCAD- en Slic3r-software. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Fabricageproces voor het 3D-printen van de soft hybrid gripper. (A) Dubbele printmodi met hydrogel op basis van AAm en hydrogelinkten op basis van NIPAM. (B) Ferrogellaag. (C) UV-fotocuring. (D) Evenwichtstoestand in DI-water. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. Fabricage van de soft hybrid gripper. (A) Externe niet-stimuli-responsieve hydrogellaag op basis van Aam. (B) Inwendige stimuli-responsieve NIPAM-gebaseerde hydrogellaag. (C) Ferrogellaag. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. Bediening en voortbeweging van de soft hybrid gripper. (A) Thermisch responsieve bediening van de soft hybrid grijper. (B) Demonstratie van pick-and-place taken met de soft hybrid gripper. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In termen van materiaalkeuze voor de soft hybrid gripper, werd een multi-responsief materiaalsysteem bestaande uit een niet-stimuli-responsieve AAm-gebaseerde hydrogel, een thermisch responsieve NIPAM-gebaseerde hydrogel en een magnetisch-responsieve ferrogel voor het eerst voorbereid om de zachte hybride grijper programmeerbare voortbeweging en vormtransformatie te laten vertonen. Vanwege hun thermisch responsieve zwelling-ontzwwellingseigenschappen vertonen op NIPAM gebaseerde hydrogels buiging, vouwing of rimpeling wanneer ze zijn vervaardigd als bilayer- of bi-stripstructuren met hydrogels met verschillende zwellingseigenschappen, zoals hydrogels op basis van AAm1. Bovendien kunnen hydrogels worden ontworpen om magnetisch responsief te zijn door ijzeroxide (Fe2O3) nanodeeltjes in te bedden. Belangrijk is dat deze Fe2O3-opgenomen ferrogel op basis van acrylamide een belangrijke rol kan spelen bij het mogelijk maken van magnetische responsiviteit om de door het magnetische veld aangedreven voortbeweging van zachte robots te vergemakkelijken. In het bijzonder zijn magnetisch responsieve hydrogels voorgesteld om te worden gebruikt in ongebonden hydrogel-gebaseerde zachte robotsystemen, die minder invasieve benaderingen zouden bieden in dynamisch rommelige omgevingen32.
Belangrijk is dat de soft hybrid gripper een goede hechting tussen de drie hydrogels vereiste. Wanneer de hechting slecht is, zal de interface tussen de hydrogels worden gedelamineerd tijdens herhaalde zwelling en ontzwelling als reactie op externe triggers. In het bijzonder werden hydrogels op basis van acrylamide geïntroduceerd om een goede hechting te garanderen onder de herhaalde thermisch en magnetisch responsieve manipulatie en voortbeweging van de zachte hybride grijper. Bovendien werden de zwelling en ontzilting van thermisch responsieve NIPAM-gebaseerde en niet-stimuli-responsieve AAm-gebaseerde hydrogels geverifieerd om te anticiperen op de mate van buiging van de zachte hybride grijper. Opgemerkt moet worden dat een simulatiemodel op basis van het thermodynamische raamwerk met hydrogelzwelling (bijv. het Flory-Huggins-model) en mechanica (bijv. Het Neo-Hookean-model) kan helpen bij het bepalen van de mate van buiging als functie van de zwelling en temperatuur8. Op basis van deze experimentele en theoretische karakteriseringen van de grijpervouwing, werd een thermisch responsieve NIPAM-gebaseerde hydrogellaag gekozen voor het binnenste deel, en een niet-stimuli-responsieve AAm-gebaseerde hydrogellaag werd gekozen voor het buitenste deel om het buigen van de grijppunten in het midden mogelijk te maken bij toenemende temperaturen.
Wat de fabricage van de soft hybrid gripper betreft, kan ons vierdimensionale (4D) tijdsafhankelijke printproces worden gebruikt om diverse stimuli-responsieve zachte robots te creëren met een breed formaatbereik van millimeters tot centimeters. Onlangs heeft de combinatie van 4D-printen en stimuli-responsieve slimme materialen een nieuwe route geboden voor het ontwikkelen van intelligente 3D-structuren die vormtransformatief zijn wanneer ze worden blootgesteld aan een geschikte stimulusbron. Samen met de 4D-printtechniek met behulp van een programmeerbare stimuli-responsieve hydrogel, kunnen diverse 3D-printpaden van stimuli-responsieve materialen verschillende uiteindelijke gezwollen geometrieën presenteren die verschillende gebogen, gerolde, gevouwen of spiraalvormige structuren weergeven26. De ontwikkeling van deze innovatieve 4D-printstrategie heeft veel aandacht getrokken vanwege de aanzienlijke schaalbaarheid en maakbaarheid voor het creëren van intelligente stimuli-responsieve zachte robots.
Het 4D-printen van diverse hydrogels vereist echter verschillende uitdagingen die moeten worden overwonnen. Ten eerste is de reactietijd voor de vormveranderlijke bediening van 4D-geprinte hydrogels vrij traag. Verdere fijnafstemming van de hydrogelsamenstelling geïntegreerd met functionele materialen (bijv. Nanodeeltjes, laagdimensionale materialen, vloeibare kristallen en zelfs biologische DNA's) is nodig om de responstijd te verbeteren. Bovendien moeten de positioneringskalibratie van de Z-richting en de uitlijning van de X-Y-richtingen bij elke stap tijdens het dubbele afdrukproces dubbel worden gecontroleerd. Om een continu afdrukproces te verkrijgen zonder enige verkeerde uitlijning, moeten de vooraf ingestelde waarden in de X-, Y- en Z-richtingen in de G-codebestanden dubbel worden gecontroleerd en meerdere keren worden herhaald totdat de printkoppen perfect zijn uitgelijnd.
Vanuit een toepassingsperspectief introduceert dit artikel thermisch en magnetisch responsieve zachte hybride grijpers die actief pick-and-place-taken uitvoeren. Het sequentiële proces van het veilig vastpakken en stevig vasthouden van een object is van cruciaal belang in zachte robotica. De stimuli-responsieve soft gripper heeft de mogelijkheid getoond om een intelligent manipulatiesysteem te ontwikkelen dat objecten precies op een minder invasieve of niet-invasieve manier kan vastpakken en vrijgeven volgens het externe stimuli aan-uit proces32. Meer recent, om de geautomatiseerde voortbeweging van een zachte grijper te bereiken voor nauwkeurige pick-and-place-taken, zijn echografiebeeldfeedback-gekoppelde gradiënt magnetische veldsystemen parallel ontwikkeld33. Hoewel nog steeds op conceptueel niveau, verwachten we dat dit specifieke protocol voor het 4D-printen van een zachte stimuli-responsieve hybride grijper een basis zal bieden voor verdere significante vooruitgang in de ontwikkeling van nauwkeurig bestuurbare, zeer gevoelige en multifunctionele slimme stimuli-responsieve zachte robots.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren geen belangenconflicten.
Acknowledgments
De auteurs erkennen dankbaar de steun van de National Research Foundation of Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (MSIT) (No.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).
