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Engineering

Impression quadridimensionnelle de robots mous à base d’hydrogel sensibles aux stimuli

Published: January 13, 2023 doi: 10.3791/64870
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 1,3
1Department of Mechanical Systems Engineering, Sookmyung Women's University, 2Department of Biological Sciences, Sookmyung Women's University, 3Institute of Advanced Materials and Systems, Sookmyung Women's University

Summary

Ce manuscrit décrit une stratégie d’impression 4D pour la fabrication de robots mous intelligents sensibles aux stimuli. Cette approche peut fournir la base pour faciliter la réalisation de systèmes robotiques souples intelligents transformables en forme, y compris les manipulateurs intelligents, l’électronique et les systèmes de soins de santé.

Abstract

Le présent protocole décrit la création de robots mous quadridimensionnels (4D), dépendants du temps, changeants de forme et sensibles aux stimuli à l’aide d’une méthode de bio-impression tridimensionnelle (3D). Récemment, les techniques d’impression 4D ont été largement proposées comme nouvelles méthodes innovantes pour développer des robots mous transformables en forme. En particulier, la transformation de forme 4D dépendante du temps est un facteur essentiel de la robotique douce, car elle permet aux fonctions efficaces de se produire au bon moment et au bon endroit lorsqu’elles sont déclenchées par des signaux externes, tels que la chaleur, le pH et la lumière. Conformément à cette perspective, des matériaux sensibles aux stimuli, y compris des hydrogels, des polymères et des hybrides, peuvent être imprimés pour réaliser des systèmes robotiques souples transformables en forme intelligente. Le protocole actuel peut être utilisé pour fabriquer des préhenseurs souples thermosensibles composés d’hydrogels à base de N-isopropylacrylamide (NIPAM), avec des tailles globales allant de millimètres à centimètres de longueur. On s’attend à ce que cette étude fournisse de nouvelles orientations pour la réalisation de systèmes robotiques souples intelligents pour diverses applications dans les manipulateurs intelligents (p. ex. pinces, actionneurs et machines de prélèvement et de placement), les systèmes de soins de santé (p. ex. capsules de médicaments, outils de biopsie et microchirurgies) et l’électronique (p. ex. capteurs portables et fluidiques).

Introduction

Le développement de robots mous sensibles aux stimuli est important d’un point de vue technique et intellectuel. Le terme robots mous sensibles aux stimuli fait généralement référence à des dispositifs / systèmes composés d’hydrogels, de polymères, d’élastomères ou d’hybrides qui présentent des changements de forme en réponse à des signaux externes, tels que la chaleur, le pH et la lumière 1,2,3,4. Parmi les nombreux robots mous sensibles aux stimuli, les robots mous à base d’hydrogel N-isopropylacrylamide (NIPAM) effectuent les tâches ou interactions souhaitées en utilisant la transformation spontanée de la forme 5,6,7,8. En général, les hydrogels à base de NIPAM présentent une faible température critique de la solution (LCST) et des changements de propriétés de gonflement (hydrophilie inférieure au LCST) et de gonflement (hydrophobicité supérieure à la LCST) se produisent à l’intérieur du système hydrogel à proximité de températures physiologiques comprises entre 32 °C et 36 °C 9,10. Ce mécanisme de gonflement-gonflement réversible près du point de transition critique aigu du LCST peut générer la transformation de forme des robots mous hydrogel à base de NIPAM2. En conséquence, les robots souples à base d’hydrogel NIPAM thermiquement sensibles ont amélioré les opérations, telles que la marche, la préhension, le rampement et la détection, qui sont importantes dans les manipulateurs multifonctionnels, les systèmes de soins de santé et les capteurs intelligents 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.

Dans la fabrication de robots mous sensibles aux stimuli, les approches d’impression tridimensionnelle (3D) ont été largement utilisées à l’aide d’un procédé additif direct couche par couche22. Une variété de matériaux, tels que les plastiques et les hydrogels souples, peuvent être imprimés avec l’impression 3D23,24. Récemment, l’impression 4D a été largement mise en évidence comme une technique innovante pour créer des robots souples programmablespar forme 25,26,27,28. Cette impression 4D est basée sur l’impression 3D, et la principale caractéristique de l’impression 4D est que les structures 3D peuvent changer leurs formes et leurs propriétés au fil du temps. La combinaison de l’impression 4D et des hydrogels sensibles aux stimuli a fourni une autre voie innovante pour créer des dispositifs 3D intelligents qui changent de forme au fil du temps lorsqu’ils sont exposés à des déclencheurs de stimulus externes appropriés, tels que la chaleur, le pH, la lumière et les champs magnétiques et électriques25,26,27,28 . Le développement de cette technique d’impression 4D utilisant divers hydrogels sensibles aux stimuli a permis l’émergence de robots mous transformables en forme qui affichent une multifonctionnalité avec des vitesses de réponse et une sensibilité de rétroaction améliorées.

Cette étude décrit la création d’une pince souple thermosensible pilotée par impression 3D qui affiche la transformation de la forme et la locomotion. Notamment, la procédure spécifique décrite peut être utilisée pour fabriquer divers robots mous multifonctionnels avec des tailles globales allant du millimètre au centimètre de longueur. Enfin, on s’attend à ce que ce protocole puisse être appliqué dans plusieurs domaines, y compris les robots mous (p. ex., les actionneurs intelligents et les robots de locomotion), l’électronique flexible (p. ex. capteurs optoélectriques et laboratoires sur puce) et les systèmes de soins de santé (p. ex. capsules d’administration de médicaments, outils de biopsie et dispositifs chirurgicaux).

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Protocol

La pince souple sensible aux stimuli était composée de trois types d’hydrogels différents : l’hydrogel à base d’acrylamide (AAm) non sensible aux stimuli, l’hydrogel à base d’acrylamide N-isopropylique (NIPAM) thermosensible et le ferrogel sensible magnétique (Figure 1). Les trois encres hydrogel ont été préparées en modifiant les méthodes précédemment publiées 29,30,31. Les données présentées dans cette étude sont disponibles sur demande auprès de l’auteur correspondant.

1. Préparation des encres hydrogel

  1. Encres hydrogel AAm non sensibles aux stimuli (Figure 1A)
    1. Diluer l’acrylamide (AAm), le réticulant N, N'-méthylènebisacrylamide (BIS) (voir le tableau des matières) et le photoinitiateur 2-hydroxy-4'-(2-hydroxyéthoxy)-2-méthylpropiophénone (voir le tableau des matières) dans de l’eau distillée (DI) à l’aide d’un agitateur magnétique pendant 24 h.
    2. Vortex l’agent d’amincissement par cisaillement, la nanoargile de laponite RD et le colorant O-méthacrylate de fluorescéine (voir le tableau des matériaux) à 1 150 tr/min pendant au moins 6 h jusqu’à ce qu’ils se diluent complètement.
    3. Préparer des poids spécifiques d’encre hydrogel à base d’AAm par 20 ml de base de solution : 1,576 g d’AAm, 0,332 g de BIS, 1,328 g de laponite RD, 0,166 g de photoinitiateur, 0,1 mg de NaOH, 0,1 mg de fluorescéine O-méthacrylate (voir le tableau des matières) et 16,594 g d’eau DI.
    4. Après dilution totale, transférer l’encre hydrogel à base d’AAm dans une cartouche d’impression 3D vide (voir Tableau des matériaux) à l’aide d’une seringue.
  2. Encres hydrogel à base de NIPAM sensibles aux stimuli (Figure 1B)
    1. Diluer l’acrylamide N-isopropylique (NIPAM), le poly N-isopropyl acrylamide (PNIPAM) et le photoinitiateur (voir le tableau des matériaux) dans de l’eau DI à l’aide d’un agitateur magnétique pendant 24 h.
    2. Vortex l’agent d’amincissement par cisaillement, la nanoargile laponite RD et le colorant fluorescéine rhodamine 6G à 1 150 tr/min pendant au moins 6 h jusqu’à ce qu’ils se diluent complètement.
    3. Préparer des poids spécifiques d’encre hydrogel à base de NIPAM par 20 ml de base de solution : 1,692 g de NIPAM, 0,02 g de pNIPAM, 1,354 g de laponite RD, 0,034 g de photoinitiateur, 0,1 mg de rhodamine 6G (voir le tableau des matières) et 16,92 g d’eau DI.
    4. Après dilution complète, transférer l’encre hydrogel à base de NIPAM dans une cartouche d’impression 3D vide à l’aide d’une seringue.
  3. Encres Ferrogel (Figure 1C)
    1. Préparer la solution A : acrylamide dilué (AAm) et agent de réticulation, N, N'-méthylènebisacrylamide (BIS), oxyde ferrique (Fe2O3) et N, N, N', N'-tétraméthyléthylènediamine (TMEDA) (voir le tableau des matières) dans de l’eau DI.
    2. Considérez le pourcentage pondéral spécifique (poids) des matériaux: 71% AAm, 3,5% BIS et 25,5% Fe 2 O3 dans1,2mL d’eau DI avec 10 μL d’accélérateur TMEDA.
    3. Préparer la solution B : Diluer 0,8 g de persulfate d’ammonium (APS, voir le tableau des matières) dans 10 mL d’eau DI.
    4. Pour la polymérisation, transférer 200 μL de la solution A et 5 μL de la solution B dans un tube microcentrifugé.
    5. Vortex le tube microcentrifuge pendant 20 s.

2. Optimisation de la conception de la pince hybride souple

REMARQUE : La pince hybride souple elliptique est composée d’une couche externe d’hydrogel à base d’AAm, d’une couche interne d’hydrogel à base de NIPAM et d’une couche supérieure de ferrogel (Figure 1D). La pince hybride souple elliptique globale a été créée à l’aide du logiciel AutoCAD (voir Tableau des matériaux).

  1. Conception bidimensionnelle de couche d’hydrogel à base d’AAm
    1. Dessinez une forme elliptique avec un axe vertical de 24 mm et un axe horizontal de 20 mm à l’extrémité extérieure.
    2. Dessinez une autre forme elliptique avec un axe vertical de 20,8 mm et un axe horizontal de 16,8 mm avec le même point central que la forme dessinée à l’étape 2.1.1.
    3. Dessinez un arc à trois points passant par les points (−8,24, 2), (0, 6) et (8,24, 2) du point central de l’ellipse.
    4. Coupez la petite partie supérieure de l’éclipse divisée par l’arc.
  2. Conception bidimensionnelle de couche d’hydrogel à base de NIPAM
    1. Dessinez un ovale avec un axe vertical de 20,2 mm et un axe horizontal de 16,4 mm avec le même point central que la forme dessinée à l’étape 2.1.1.
    2. Dessinez une ellipse avec un axe vertical de 16,16 mm et un axe horizontal de 13,12 mm avec le même point central que la forme dessinée à l’étape 2.1.1.
    3. Dessinez un arc à trois points passant par les points (−7,86, 1,83), (0, 5,6) et (7,86, 1,83) du point central de l’ellipse.
    4. Tracez un arc de trois points passant par les points (−5,47, 1,64), (0, 3,18) et (5,47, 1,64) du point central de l’ellipse.
    5. Coupez la petite partie supérieure des ellipses divisée par les arcs.
    6. Pour créer un piédestal, tracez un arc avec deux points éloignés du point central à (−4,75, −2,71) et (4,75, −2,71) comme deux extrémités et à un point du point central à (0, -4,59).
  3. Conception de couche de ferrogel bidimensionnelle
    1. Dessinez un arc à trois points passant par les points (-7, 4,92), (0, 9,2) et (7, 4,92) éloignés du point central de l’ellipse.
    2. Dessinez un arc de trois points passant par les points (−7, 4,92), (0, 7,6) et (7, 4,92) éloignés du point central de l’ellipse.
  4. Conception d’embouts de préhension bidimensionnelle
    1. Pour fabriquer la partie de préhension de la pince, coupez 0,8 mm de chaque côté de la ligne médiane au bas de l’ellipse.
  5. Conception de pince hybride tridimensionnelle
    1. Pour transformer la conception globale de la pince hybride 2D en 3D, extrudez le piédestal du gel réactif de 0,8 mm et extrudez le gel non réactif, l’ovale coupé du gel réactif et le ferrogel de 2,5 mm.

3. Impression tridimensionnelle de la pince hybride souple

  1. Générez un G-code30 pour chaque structure créée à l’étape 2 à l’aide du logiciel Slic3r (voir Tableau des matériaux) avec une hauteur de couche de 0,4 mm, une vitesse d’impression de 10 mm-1 et une densité de remplissage de 75%. Modifiez le fichier G-code à l’aide de deux têtes d’impression.
  2. Enregistrez le fichier G-code sur une carte numérique sécurisée (SD) et connectez-le à l’imprimante 3D (voir Tableau des matériaux) pour générer les chemins d’impression de la pince souple.
  3. Connectez un régulateur de pression de pompe à air à l’imprimante 3D.
  4. Choisissez des embouts de buse d’un diamètre de 0,25 mm et 0,41 mm pour l’hydrogel à base de NIPAM et l’hydrogel à base d’AAm, respectivement.
  5. Connectez la cartouche d’hydrogel à base d’AAm à la buse 1 et la cartouche d’hydrogel à base de NIPAM à la buse 2.
  6. Vérifiez si les deux têtes d’impression des cartouches sont dans la même position sur l’axe z.
  7. Calibrez les coordonnées X et Y avec précision pour éviter les désalignements entre les deux buses.
  8. Réglez la pression d’impression à 20-25 KPa pour l’hydrogel à base d’AAm et à 10-15 KPa pour l’hydrogel à base de NIPAM.
  9. Répétez les étapes 3.5 à 3.8 lorsque chaque échantillon est complètement imprimé (Figure 2A).

4. Photopolymérisation UV de la pince hybride souple

  1. Avant la photopolymérisation UV, injectez les encres ferrogel sensibles au champ magnétique (préparées à l’étape 1.3) dans la zone de trou mince ciblée de la pince souple imprimée en 3D à l’aide d’une seringue.
  2. Après l’injection du ferrogel, placez la structure de préhension dans une chambre source UV avec une longueur d’onde de 365 nm pendant 6 min. Fixez l’intensité de la lumière UV à 4,9 mJ/s.
  3. Après photopolymérisation UV, transférer la structure de la pince dans un bain-marie DI pendant au moins 24 heures jusqu’à ce qu’elle atteigne un état d’équilibre complètement gonflé (figure 2B-D).

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Representative Results

L’hydrogel à base de NIPAM a été principalement pris en compte lors de la conception de la pince souple thermosensible en raison de son LCST tranchant, ce qui lui confère des propriétés significatives de gonflement-gonflement 9,10. En outre, l’hydrogel à base d’AAm a été considéré comme un système non sensible aux stimuli pour maximiser la transformation de la forme de la pince hybride souple tout en réduisant le délaminage de l’interface pendant plusieurs processus de chauffage et de refroidissement. De plus, le ferrogel a été intégré à ce système hybride pour créer une pince hybride souple sensible au champ magnétique pour le contrôle sans attache de la locomotion entraînée par le champ magnétique. En particulier, l’injection d’encre ferrogel doit être effectuée avant la polymérisation pour éviter la séparation de la structure d’hydrogel à base de NIPAM.

L’actionnement de l’ouverture et de la fermeture thermiquement sensibles a été principalement considéré pour déterminer la géométrie optimale du préhenseur hybride. Initialement, le gonflement et le gonflement des hydrogels à base de NIPAM et d’AAm ont été évalués en mesurant les changements de diamètre de la température ambiante à 60 °C. Sur la base de cette vérification du pouvoir de gonflement, l’hydrogel à base d’AAm a été placé dans la partie externe de la couche structurelle et l’hydrogel à base de NIPAM a été placé à l’intérieur de la couche sensible. Ce travail a vérifié la fonction de préhension de plusieurs structures différentes de la pince hybride, telles que les géométries circulaires et elliptiques. Plus précisément, une forme elliptique globale avec une plaque plate à base de NIPAM à l’intérieur a été choisie pour augmenter la puissance gonflante-gonflante afin de permettre à l’appareil de bien saisir et de maintenir les cibles en toute sécurité sans les laisser tomber pendant les tâches de pick-and-place. En outre, une zone de ferrogel symétrique en forme de croissant a été conçue au-dessus de la structure elliptique pour intégrer la locomotion sensible au magnétisme précise du préhenseur hybride.

La pince hybride a été fabriquée à l’aide d’une méthode d’impression 3D additive orientée chemin (Figure 3). Tout d’abord, l’hydrogel à base d’AAm a été imprimé à l’extérieur de la pince en tant que couche de support de structure (Figure 3A), puis l’hydrogel à base de NIPAM a été imprimé à l’intérieur en tant que couche sensible aux stimuli (Figure 3B). Par la suite, du ferrogel a été injecté dans le puits situé au sommet de la pince hybride (figure 3C). Pour la première étape des deux processus d’impression 3D et d’injection, les hydrogels synthétisés à base d’AAm et de NIPAM ont été soigneusement transférés dans une cartouche 3D vide afin de ne pas laisser entrer d’air. L’injection du ferrogel pour se connecter précisément à la couche d’hydrogel structurel à base d’AAm a dû être effectuée avec soin pour éviter les bulles.

Divers paramètres d’impression, tels que la pression d’impression, la vitesse, le diamètre de la buse et la composition de l’encre, ont été vérifiés afin de déterminer les conditions d’impression 3D optimales. Nous avons observé que les propriétés viscoélastiques des encres étaient les paramètres les plus importants pour obtenir des processus d’impression et de durcissement UV précis. Les propriétés viscoélastiques sont principalement déterminées par le rapport pondéral de l’agent diluant pur (par exemple, laponite RD). Pour identifier les caractéristiques rhéologiques appropriées des solutions d’encre, il est essentiel d’ajuster l’agent d’amincissement par cisaillement pour une impression précise et une solidification rapide après l’impression et avant le processus de durcissement UV. De plus, les couches d’hydrogel à base d’AAm et à base de NIPAM devaient être connectées avec précision sans chevauchement ni espace entre elles pendant le processus d’impression 3D. Un petit désalignement dans les directions X-Y et un décalage dans la direction Z pendant le processus d’impression 3D double peuvent entraîner des erreurs importantes dans la structure finale. Si un désalignement est observé, le positionnement prédéfini des directions X et Y avec un décalage dans la direction Z dans le code G doit être aligné à nouveau à chaque étape d’impression jusqu’à ce que les deux têtes d’impression soient parfaitement alignées. Pour obtenir des structures de préhension alignées avec précision sans erreur, de petits marqueurs d’étalonnage en forme de cube ont été insérés aux quatre coins pour préserver le centre de chaque structure.

La pince hybride souple a effectué une tâche de pick-and-place via un actionnement thermiquement sensible et une locomotion magnétique. Initialement, un actionnement thermosensible de la pince hybride souple a été observé. Lorsque la température a augmenté au-dessus de la température inférieure de la solution critique (LCST), le gel à base de NIPAM a rétréci et l’embout de la pince s’est fermé, en raison du gonflement de l’hydrogel à base de NIPAM. En revanche, l’extrémité de la pince hybride souple s’est ouverte lorsque la température a baissé en dessous du LCST, en raison du gonflement de l’hydrogel à base de NIPAM (figure 4A). De plus, nous avons vérifié que l’incorporation de ferrogel n’affectait pas le pliage de la pince hybride souple lors des changements de température.

Un labyrinthe simple utilisant une imprimante 3D a été fabriqué, rempli d’eau DI et placé sur une plaque chauffante. La pince hybride souple entièrement gonflée a ensuite été placée à la position de départ du labyrinthe dans un état de basculement ouvert, et les œufs de saumon ont été placés dans la zone cible. La pince hybride souple a été guidée à l’aide d’un aimant externe jusqu’à ce qu’elle atteigne les œufs de saumon. Ensuite, la pointe de la pince hybride souple s’est refermée pour saisir les œufs de saumon lorsque la température a atteint 40 °C. Enfin, la pince hybride souple a été déplacée hors du labyrinthe tout en tenant les œufs de saumon, puis elle a libéré les œufs de saumon dans la zone cible dans un état d’ouverture à une température ambiante de 25 °C (figure 4B). Les œufs de saumon ont conservé leur forme sans aucun dommage pendant toute la tâche de cueillette et de place. De plus, des aimants en néodyme ont été utilisés pour guider la pince hybride souple pendant la locomotion magnétique-sensible.

Figure 1
Figure 1 : Préparation de l’hydrogel et préhension hybride souple. (A) Hydrogel à base d’AAm. (B) Hydrogel à base de NIPAM. (C) Encres Ferrogel. (D) La conception de préhenseur hybride souple réalisée à l’aide des logiciels AutoCAD et Slic3r. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Processus de fabrication pour l’impression 3D du préhenseur hybride souple. (A) Deux modes d’impression avec des encres hydrogel à base d’AAm et d’hydrogel à base de NIPAM. (B) Couche de ferrogel. (C) Photopolymérisation UV. (D) État d’équilibre dans l’eau DI. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Graphique 3. Fabrication de la pince hybride souple. (A) Couche extérieure d’hydrogel à base d’Aam non sensible aux stimuli. (B) Couche d’hydrogel à base de NIPAM sensible aux stimuli intérieurs. (C) Couche de ferrogel. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Graphique 4. Actionnement et locomotion de la pince hybride souple. (A) Actionnement thermosensible de la pince hybride souple. (B) Démonstration de tâches de pick-and-placement avec le préhenseur hybride souple. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Discussion

En termes de sélection de matériaux pour la pince hybride souple, un système de matériau multi-réactif composé d’un hydrogel à base d’AAm non sensible aux stimuli, d’un hydrogel à base de NIPAM thermosensible et d’un ferrogel sensible au magnétisme a d’abord été préparé pour permettre à la pince hybride souple de présenter une locomotion programmable et une transformation de forme. En raison de leurs propriétés de gonflement-deswelling thermosensibles, les hydrogels à base de NIPAM présentent une flexion, un pliage ou une ride lorsqu’ils sont fabriqués en tant que structures bicouches ou bi-bandes avec des hydrogels ayant des propriétés de gonflement différentes, tels que les hydrogels à base d’AAm1. En outre, les hydrogels peuvent être conçus pour être magnétiquement sensibles en incorporant des nanoparticules d’oxyde de fer (Fe2O3). Il est important de noter que ce ferrogel à base d’acrylamide incorporé Fe2O3 peut jouer un rôle important en permettant la réactivité magnétique pour faciliter la locomotion molle pilotée par le champ magnétique du robot. En particulier, il a été proposé d’utiliser des hydrogels magnétiquement sensibles dans des systèmes robotiques souples à base d’hydrogels non attachés, ce qui fournirait des approches moins invasives dans des environnements encombrés dynamiquement32.

Il est important de noter que la pince hybride souple nécessitait une bonne adhérence entre les trois hydrogels. Lorsque l’adhérence est faible, l’interface entre les hydrogels sera délaminée lors de gonflements et de gonflements répétés en réponse à des déclencheurs externes. En particulier, des hydrogels à base d’acrylamide ont été introduits pour assurer une bonne adhérence sous la manipulation et la locomotion répétées thermiquement et magnétiquement sensibles du préhenseur hybride souple. De plus, le gonflement et le gonflement des hydrogels à base d’AAm thermosensibles et non sensibles aux stimuli ont été vérifiés afin d’anticiper le degré de flexion de la pince hybride souple. Il convient de noter qu’un modèle de simulation basé sur le cadre thermodynamique avec gonflement d’hydrogel (par exemple, le modèle Flory-Huggins) et mécanique (par exemple, le modèle néo-hookéen) peut aider à déterminer l’étendue de la flexion en fonction du gonflement et de la température8. Sur la base de ces caractérisations expérimentales et théoriques du pliage de la pince, une couche d’hydrogel à base de NIPAM thermosensible a été choisie pour la partie interne, et une couche d’hydrogel à base d’AAm non sensible aux stimuli a été choisie pour la partie extérieure afin de permettre la flexion des pointes de préhension au centre avec l’augmentation des températures.

En ce qui concerne la fabrication du préhenseur hybride souple, notre procédé d’impression quadridimensionnel (4D) dépendant du temps peut être utilisé pour créer divers robots mous sensibles aux stimuli avec une large gamme de tailles allant du millimètre au centimètre. Récemment, la combinaison de l’impression 4D et de matériaux intelligents sensibles aux stimuli a fourni une nouvelle voie pour développer des structures 3D intelligentes transformables en forme lorsqu’elles sont exposées à une source de stimulus appropriée. En plus de la technique d’impression 4D utilisant un hydrogel programmable sensible aux stimuli, divers chemins d’impression 3D de matériaux sensibles aux stimuli peuvent présenter différentes géométries gonflées finales qui présentent différentes structures courbes, laminées, pliées ou hélicoïdales26. Le développement de cette stratégie innovante d’impression 4D a attiré beaucoup d’attention en raison de son évolutivité et de sa fabricabilité significatives pour créer des robots mous intelligents sensibles aux stimuli.

Cependant, l’impression 4D de divers hydrogels nécessite plusieurs défis à surmonter. Tout d’abord, le temps de réponse pour l’actionnement modifiable de forme des hydrogels imprimés en 4D est plutôt lent. Un ajustement plus fin de la composition d’hydrogel intégrée aux matériaux fonctionnels (par exemple, les nanoparticules, les matériaux de faible dimension, les cristaux liquides et même les ADN biologiques) est nécessaire pour améliorer le temps de réponse. En outre, l’étalonnage du positionnement de la direction Z et l’alignement des directions X-Y doivent être vérifiés à chaque étape du processus d’impression double. Pour obtenir un processus d’impression continu sans aucun désalignement, les valeurs prédéfinies dans les directions X, Y et Z dans les fichiers de code G doivent être revérifiées et répétées plusieurs fois jusqu’à ce que les têtes d’impression soient parfaitement alignées.

Du point de vue de l’application, cet article présente les préhenseurs hybrides souples thermiquement et magnétiquement réactifs qui effectuent activement des tâches de pick-and-place. Le processus séquentiel de préhension et de maintien en toute sécurité d’un objet est essentiel en robotique douce. La pince souple sensible aux stimuli a montré la possibilité de développer un système de manipulation intelligent capable de saisir et de libérer des objets avec précision de manière moins invasive ou non invasive en fonction du processus on-off des stimuli externes32. Plus récemment, pour réaliser la locomotion automatisée d’une pince souple pour des tâches précises de pick-and-place, des systèmes de champ magnétique à gradient couplé à un retour d’image par ultrasons ont été développés en parallèle33. Bien qu’encore au niveau conceptuel, nous nous attendons à ce que ce protocole spécifique pour l’impression 4D d’une pince hybride sensible aux stimuli doux fournisse une base pour d’autres avancées significatives dans le développement de robots mous intelligents sensibles aux stimuli contrôlables avec précision, hautement sensibles et multifonctionnels.

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Disclosures

Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

Acknowledgments

Les auteurs remercient le soutien de la subvention de la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF) financée par le gouvernement coréen (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gracias, D. H. Stimuli responsive self-folding using thin polymer films. Current Opinion in Chemical Engineering. 2 (1), 112-119 (2013).
  2. Zhang, Y. S., Khademhosseini, A. Advances in engineering hydrogels. Science. 356 (6337), (2017).
  3. Erol, O., Pantula, A., Liu, W., Gracias, D. H. Transformer hydrogels: A review. Advanced Materials Technologies. 4 (4), 1900043 (2019).
  4. Liu, X., Liu, J., Lin, S., Zhao, X. Hydrogel machines. Materials Today. 36, 102-124 (2020).
  5. Hu, Z., Zhang, X., Li, Y. Synthesis and application of modulated polymer gels. Science. 269 (5223), 525-527 (1995).
  6. Klein, Y., Efrati, E., Sharon, E. Shaping of elastic sheets by prescription of non-Euclidean metrics. Science. 315 (5815), 1116-1120 (2007).
  7. 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).
  8. Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (5), 3398-3405 (2015).
  9. Schild, H. G. Poly (N-isopropylacrylamide): Experiment, theory and application. Progress in Polymer Science. 17 (2), 163-249 (1992).
  10. Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. -C., Sharma, N., Zhou, Y. Stimuli-responsive polymer gels. Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).
  11. Stuart, M. A., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).
  12. Ionov, L. Biomimetic hydrogel-based actuating systems. Advanced Functional Materials. 23 (36), 4555-4570 (2013).
  13. Ghosh, A., et al. Stimuli-responsive soft untethered grippers for drug delivery and robotic surgery. Frontiers in Mechanical Engineering. 3, 7 (2017).
  14. Kirillova, A., Ionov, L. Shape-changing polymers for biomedical applications. Journal of Materials Chemistry B. 7, 1597-1624 (2019).
  15. Le, X., Lu, W., Zhang, J., Chen, T. Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators. Advanced Science. 6 (5), 1801584 (2019).
  16. Xu, W., Gracias, D. H. Soft three-dimensional robots with hard two-dimensional materials. ACS Nano. 13 (5), 4883-4892 (2019).
  17. Yoon, C. K. Advances in biomimetic stimuli responsive soft grippers. Nano Convergence. 6, 20 (2019).
  18. Lee, Y., Song, W. J., Sun, J. Y. Hydrogel soft robotics. Materials Today Physics. 15, 100258 (2020).
  19. 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).
  20. Kim, H., et al. Shape morphing smart 3D actuator materials for micro soft robot. Materials Today. 41, 243-269 (2020).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Bartlett, N. W., et al. A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion. Science. 349 (6244), 161-165 (2015).
  24. Wehner, M., et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature. 536, 451-455 (2016).
  25. Tibbits, S. 4D printing: Multi-material shape change. Architectural Design. 84 (1), 116-121 (2014).
  26. Gladman, A. S., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L., Lewis, J. A. Biomimetic 4D printing. Nature Materials. 15, 413-418 (2016).
  27. Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J. A review of 4D printing. Materials & Design. 125, 42-79 (2017).
  28. Ionov, L. 4D biofabrication: Materials, methods, and applications. Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 1800412 (2018).
  29. Liu, J., et al. Dual-gel 4D printing of bioinspired tubes. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (8), 8492-8498 (2019).
  30. Son, H., et al. Untethered actuation of hybrid hydrogel gripper via ultrasound. ACS Macro Letters. 9 (12), 1766-1772 (2020).
  31. Ding, Z., Salim, A., Ziaie, B. Squeeze-film hydrogel deposition and dry micropatterning. Analytical Chemistry. 82 (8), 3377-3382 (2010).
  32. Ongaro, F., et al. Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments. Journal of Micro-Bio Robotics. 12, 45-52 (2017).
  33. 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).

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Lee, Y., Choi, J., Choi, Y., Park, S. M., Yoon, C. Four-Dimensional Printing of Stimuli-Responsive Hydrogel-Based Soft Robots. J. Vis. Exp. (191), e64870, doi:10.3791/64870 (2023).

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