Summary
כתב יד זה מתאר אסטרטגיית הדפסה בתלת-ממד לייצור רובוטים רכים חכמים המגיבים לגירויים. גישה זו יכולה לספק את הקרקע כדי להקל על מימושן של מערכות רובוטיות רכות חכמות הניתנות לשינוי צורה, כולל מניפולטורים חכמים, אלקטרוניקה ומערכות בריאות.
Abstract
הפרוטוקול הנוכחי מתאר את יצירתם של רובוטים רכים ארבע-ממדיים (4D), תלויי-זמן, הניתנים לשינוי צורה, המגיבים לגירויים, באמצעות שיטת הדפסה ביולוגית תלת-ממדית (3D). לאחרונה, טכניקות הדפסה 4D הוצעו בהרחבה כשיטות חדשות וחדשניות לפיתוח רובוטים רכים הניתנים לשינוי צורה. בפרט, טרנספורמציה של צורה תלוית זמן 4D היא גורם חיוני ברובוטיקה רכה מכיוון שהיא מאפשרת לפונקציות יעילות להתרחש בזמן ובמקום הנכונים כאשר הן מופעלות על ידי רמזים חיצוניים, כגון חום, pH ואור. בהתאם לפרספקטיבה זו, ניתן להדפיס חומרים המגיבים לגירויים, כולל הידרוג'לים, פולימרים והיברידים, כדי לממש מערכות רובוטיות רכות חכמות הניתנות לשינוי צורה. ניתן להשתמש בפרוטוקול הנוכחי כדי לייצר אחיזות רכות המגיבות תרמית המורכבות מהידרוג'לים מבוססי N-איזופרופילאקרילאמיד (NIPAM), עם גדלים כוללים הנעים בין מילימטרים לסנטימטרים באורך. צפוי כי מחקר זה יספק כיוונים חדשים למימוש מערכות רובוטיות רכות חכמות עבור יישומים שונים במניפולטורים חכמים (למשל, אחיזות, מפעילים ומכונות איסוף ומקום), מערכות בריאות (למשל, כמוסות תרופות, כלי ביופסיה ומיקרו-כירורגיה), ואלקטרוניקה (למשל, חיישנים לבישים ונוזלים).
Introduction
הפיתוח של רובוטים רכים המגיבים לגירויים חשוב הן מבחינה טכנית והן מבחינה אינטלקטואלית. המונח רובוטים רכים המגיבים לגירויים מתייחס בדרך כלל למכשירים/מערכות המורכבים מהידרוג'לים, פולימרים, אלסטומרים או בני כלאיים המציגים שינויי צורה בתגובה לרמזים חיצוניים, כגון חום, pH ואור 1,2,3,4. בין הרובוטים הרכים הרבים המגיבים לגירויים, רובוטים רכים מבוססי הידרוג'ל מסוג N-איזופרופילאקרילמיד (NIPAM) מבצעים את המשימות או האינטראקציות הרצויות באמצעות טרנספורמציית צורה ספונטנית 5,6,7,8. באופן כללי, הידרוג'לים מבוססי NIPAM מציגים טמפרטורת תמיסה קריטית נמוכה (LCST), ונפיחות (הידרופיליות מתחת ל- LCST) והתייבשות (הידרופוביות מעל LCST) מתרחשים בתוך מערכת ההידרוג'ל בסמוך לטמפרטורות פיזיולוגיות בין 32 °C ל- 36°C 9,10 ° C. מנגנון היפוך זה של נפיחות-נפיחות ליד נקודת המעבר הקריטית החדה של ה-LCST יכול ליצור את שינוי הצורה של רובוטים רכים הידרוג'ל מבוססי NIPAM2. כתוצאה מכך, רובוטים רכים הידרוג'ל מבוססי NIPAM המגיבים תרמית שיפרו פעולות, כגון הליכה, אחיזה, זחילה וחישה, החשובים במניפולטורים רב-תכליתיים, מערכות בריאות וחיישנים חכמים 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
בייצור רובוטים רכים המגיבים לגירויים, נעשה שימוש נרחב בגישות הדפסה תלת-ממדיות (3D) באמצעות תהליך תוסף ישיר שכבה אחר שכבה22. ניתן להדפיס מגוון חומרים, כגון פלסטיק והידרוג'ל רך, בהדפסת תלת מימד23,24. לאחרונה, הדפסת 4D הודגשה בהרחבה כטכניקה חדשנית ליצירת רובוטים רכים הניתנים לתכנות צורה 25,26,27,28. הדפסה תלת-ממדית זו מבוססת על הדפסה תלת-ממדית, והמאפיין העיקרי של הדפסה ב-4D הוא שהמבנים התלת-ממדיים יכולים לשנות את הצורות והמאפיינים שלהם עם הזמן. השילוב של הדפסה בתלת-ממד והידרוג'לים המגיבים לגירויים סיפק נתיב חדשני נוסף ליצירת התקני תלת-ממד חכמים המשנים את צורתם לאורך זמן כאשר הם נחשפים לגורמי גירוי חיצוניים מתאימים, כגון חום, pH, אור ושדות מגנטיים וחשמליים25,26,27,28 . הפיתוח של טכניקת הדפסה 4D זו באמצעות הידרוג'לים מגוונים המגיבים לגירויים סיפק הזדמנות להופעתם של רובוטים רכים הניתנים לשינוי צורה המציגים רב-תכליתיות עם מהירויות תגובה משופרות ורגישות למשוב.
מחקר זה מתאר את יצירתו של אובייקט אחיזה רך בעל יכולת תגובה תרמית המונעת על-ידי הדפסה תלת-ממדית, המציג טרנספורמציה ותנועה של צורה. יש לציין כי ניתן להשתמש בהליך הספציפי המתואר כדי לייצר רובוטים רכים רב-תכליתיים שונים בגדלים הכוללים הנעים בין סולמות באורך מילימטר לסנטימטר. לבסוף, צפוי כי פרוטוקול זה יכול להיות מיושם במספר תחומים, כולל רובוטים רכים (למשל, מפעילים חכמים ורובוטי תנועה), אלקטרוניקה גמישה (למשל, חיישנים אופטואלקטריים ומעבדה על שבב) ומערכות בריאות (למשל, כמוסות אספקת תרופות, כלי ביופסיה ומכשירים כירורגיים).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
האחיזה הרכה המגיבה לגירויים הורכבה משלושה סוגים שונים של הידרוג'לים: הידרוג'ל מבוסס אקרילאמיד (AAm) שאינו מגיב לגירויים, הידרוג'ל מבוסס N-איזופרופיל אקרילאמיד (NIPAM) מגיב תרמית, ופרוג'ל מגיב מגנטי (איור 1). שלושת דיו ההידרוג'ל הוכנו על ידי שינוי שיטות שפורסמו בעבר 29,30,31. הנתונים המוצגים במחקר זה זמינים על פי בקשה מהמחבר המתאים.
1. הכנת דיו הידרוג'ל
- דיו הידרוג'ל על בסיס AAm שאינו מגיב לגירויים (איור 1A)
- יש לדלל את האקרילאמיד (AAm), את הקרוסלינקר N, את ה-N'-מתילנבי-סקרילאמיד (BIS) (ראו טבלת חומרים), ואת הפוטו-איניטיטור 2-הידרוקסי-4'-(2-הידרוקסיאתוקסי)-2-מתילפרופיונון (ראו טבלת חומרים) במים מזוקקים (DI) באמצעות מערבל מגנטי למשך 24 שעות.
- מערבלים את החומר המדלל גזירה, ננו-קליי לפוניט RD וצבע O-methacrylate פלואורסצין (ראו טבלת חומרים) ב-1,150 סל"ד למשך 6 שעות לפחות עד שהם מדוללים לחלוטין.
- הכן משקלים ספציפיים של דיו הידרוג'ל מבוסס AAm לכל סך של 20 מ"ל של בסיס תמיסה: 1.576 גרם של AAm, 0.332 גרם של BIS, 1.328 גרם של לפוניט RD, 0.166 גרם של photoinitiator, 0.1 מ"ג של NaOH, 0.1 מ"ג של פלואורסצין O-methacrylate (ראה טבלת חומרים), ו 16.594 גרם של מים DI.
- לאחר דילול מוחלט, העבר את דיו ההידרוג'ל מבוסס AAm למחסנית הדפסה תלת-ממדית ריקה (ראה טבלת חומרים) באמצעות מזרק.
- דיו הידרוג'ל על בסיס NIPAM המגיב לגירויים (איור 1B)
- דילול N-איזופרופיל אקרילאמיד (NIPAM), פולי N-איזופרופיל אקרילאמיד (PNIPAM), והפוטויניטיטור (ראו טבלת חומרים) במי DI באמצעות מערבל מגנטי למשך 24 שעות.
- מערבלים את החומר המדלל גזירה, לפוניט RD ננו-קליי, ופלואורסצין רודמין 6G צובעים ב-1,150 סל"ד למשך 6 שעות לפחות עד שהם מדוללים לחלוטין.
- הכן משקלים ספציפיים של דיו הידרוג'ל מבוסס NIPAM לכל סך של 20 מ"ל של בסיס תמיסה: 1.692 גרם של NIPAM, 0.02 גרם של pNIPAM, 1.354 גרם של לפוניט RD, 0.034 גרם של photoinitiator, 0.1 מ"ג של רודמין 6G (ראה טבלת חומרים), ו 16.92 גרם של מים DI.
- לאחר דילול מלא, העבר את דיו ההידרוג'ל המבוסס על NIPAM למחסנית הדפסה תלת-ממדית ריקה באמצעות מזרק.
- דיו פרוגל (איור 1C)
- הכן את תמיסת ה-A: דילול אקרילאמיד (AAm) וקרוסלינקר, N, N'-מתילנביסקרילאמיד (BIS), תחמוצת ברזל (Fe2O3), ו-N, N, N', N'-טטרה-מתילאתילנדיאמין (TMEDA) (ראו טבלת חומרים) במי DI.
- שקול את אחוז המשקל הספציפי (wt%) של החומרים: 71% AAm, 3.5% BIS ו- 25.5% Fe 2 O3 ב-1.2 מ"ל של מי DI עם 10 μL של מאיץ TMEDA.
- הכן את תמיסת B: דלל 0.8 גרם של אמוניום פרסולפט (APS, ראה טבלת חומרים) ב-10 מ"ל של מי DI.
- לצורך פילמור, העבר 200 μL של תמיסת A ו 5 μL של תמיסה B לתוך צינור microcentrifuge.
- מערבולת צינור המיקרוצנטריפוגה במשך 20 שניות.
2. אופטימיזציה של עיצוב האחיזה ההיברידית הרכה
הערה: האחיזה ההיברידית הרכה האליפטית מורכבת משכבה חיצונית של הידרוג'ל מבוסס AAm, שכבה פנימית של הידרוג'ל מבוסס NIPAM ושכבה עליונה של פרוגל (איור 1D). האחיזה ההיברידית הרכה האליפטית הכוללת נוצרה באמצעות תוכנת AutoCAD (ראו טבלת חומרים).
- תכנון שכבת הידרוג'ל דו-ממדית מבוססת AAm
- צייר צורה אליפטית עם ציר אנכי של 24 מ"מ וציר אופקי של 20 מ"מ בחלק החיצוני ביותר.
- צייר צורה אליפטית נוספת עם ציר אנכי של 20.8 מ"מ וציר אופקי של 16.8 מ"מ עם אותה נקודת מרכז כמו הצורה שצוירה בשלב 2.1.1.
- צייר קשת בת שלוש נקודות העוברת דרך הנקודות (−8.24, 2), (0, 6) ו- (8.24, 2) הרחק מנקודת המרכז של האליפסה.
- חותכים את החלק העליון הקטן של הליקוי המחולק בקשת.
- תכנון שכבת הידרוג'ל דו-ממדית מבוססת NIPAM
- צייר אליפסה עם ציר אנכי של 20.2 מ"מ וציר אופקי של 16.4 מ"מ עם אותה נקודת מרכז כמו הצורה שצוירה בשלב 2.1.1.
- צייר אליפסה עם ציר אנכי של 16.16 מ"מ וציר אופקי של 13.12 מ"מ עם אותה נקודת מרכז כמו הצורה שצוירה בשלב 2.1.1.
- צייר קשת של שלוש נקודות העוברת דרך הנקודות (−7.86, 1.83), (0, 5.6) ו- (7.86, 1.83) הרחק מנקודת המרכז של האליפסה.
- צייר קשת של שלוש נקודות העוברת דרך הנקודות (−5.47, 1.64), (0, 3.18) ו- (5.47, 1.64) הרחק מנקודת המרכז של האליפסה.
- חותכים את החלק העליון הקטן של האליפסות חלקי הקשתות.
- כדי ליצור מעמד, צייר קשת עם שתי נקודות הרחק מנקודת המרכז ב- (−4.75, −2.71) ו- (4.75, −2.71) כשתי נקודות קצה ונקודה אחת מנקודת המרכז ב- (0, -4.59).
- עיצוב שכבת פרוגל דו מימדית
- צייר קשת של שלוש נקודות העוברת דרך הנקודות (−7, 4.92), (0, 9.2) ו- (7, 4.92) הרחק מנקודת המרכז של האליפסה.
- צייר קשת של שלוש נקודות העוברת דרך הנקודות (−7, 4.92), (0, 7.6) ו- (7, 4.92) הרחק מנקודת המרכז של האליפסה.
- עיצוב קצוות אחיזה דו-ממדיים
- כדי להפוך את חלק האחיזה של האחיזה, חותכים 0.8 מ"מ מכל צד מקו האמצע בתחתית האליפסה.
- עיצוב גריפר היברידי תלת מימדי
- כדי להפוך את עיצוב האחיזה ההיברידית הדו-ממדית הכוללת לתלת-ממד, יש להבליט את הכן של הג'ל המגיב ב-0.8 מ"מ, ולהוציא את הג'ל שאינו מגיב, את האליפסה החתוכה של הג'ל המגיב ואת הפרוגל ב-2.5 מ"מ.
3. הדפסה תלת מימדית של האחיזה ההיברידית הרכה
- צור קוד G 30 עבור כל מבנה שנוצר בשלב 2 באמצעות תוכנת Slic3r (ראה טבלת חומרים) עם גובה שכבה של 0.4 מ"מ, מהירות הדפסה של10 מ"מ−1 וצפיפות מילוי של 75%. ערוך את קובץ קוד G באמצעות ראשי הדפסה כפולים.
- שמור את קובץ ה- G-code בכרטיס דיגיטלי מאובטח (SD) וחבר אותו למדפסת התלת-ממד (ראה טבלת חומרים) כדי ליצור את נתיבי ההדפסה של אובייקט האחיזה הרך.
- חבר בקרת לחץ של משאבת אוויר למדפסת התלת-ממד.
- בחר קצוות זרבובית בקטרים של 0.25 מ"מ ו- 0.41 מ"מ עבור הידרוג'ל מבוסס NIPAM והידרוג'ל מבוסס AAm, בהתאמה.
- חבר את מחסנית ההידרוג'ל מבוססת AAm לזרבובית 1 ואת מחסנית ההידרוג'ל מבוססת NIPAM לזרבובית 2.
- בדוק אם שני ראשי ההדפסה של המחסניות נמצאים באותו מיקום על ציר z.
- כייל את קואורדינטות X ו- Y בדיוק כדי למנוע אי-התאמות בין שני החרירים.
- הגדר את לחץ ההדפסה על 20-25 KPa עבור הידרוג'ל מבוסס AAm ועל 10-15 KPa עבור הידרוג'ל מבוסס NIPAM.
- חזור על שלבים 3.5-3.8 כאשר כל דגימה מודפסת במלואה (איור 2A).
4. צילום UV של האחיזה ההיברידית הרכה
- לפני צילום UV, הזריקו את דיו הפרוגל המגיב לשדה המגנטי (מוכן בשלב 1.3) לאזור החור הדק הממוקד של האחיזה הרכה המודפסת בתלת-ממד באמצעות מזרק.
- לאחר הזרקת הפרוגל, מקם את מבנה האחיזה בתוך תא מקור UV עם אורך גל של 365 ננומטר למשך 6 דקות. תקן את עוצמת אור ה- UV ב- 4.9 mJ/s.
- לאחר צילום UV, העבירו את מבנה האחיזה לאמבטיית מים DI למשך 24 שעות לפחות עד שהם מגיעים למצב שיווי משקל נפוח לחלוטין (איור 2B-D).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הידרוג'ל מבוסס NIPAM נלקח בחשבון בעיקר בעת תכנון האחיזה הרכה המגיבה תרמית בשל ה-LCST החד שלו, מה שגורם לו להפגין תכונות משמעותיות של נפיחות-נפיחות 9,10. בנוסף, ההידרוג'ל מבוסס ה-AAm נחשב כמערכת שאינה מגיבה לגירויים כדי למקסם את שינוי הצורה של האחיזה ההיברידית הרכה תוך הפחתת הדלדול של הממשק במהלך תהליכי חימום וקירור מרובים. בנוסף, פרוגל שולבה במערכת היברידית זו כדי ליצור אחיזה היברידית רכה המגיבה לשדה מגנטי לשליטה בלתי מוגבלת בתנועה המונעת על ידי שדה מגנטי. בפרט, הזרקת דיו פרוגל חייבת להתבצע לפני פילמור כדי למנוע הפרדה ממבנה הידרוג'ל מבוסס NIPAM.
ההפעלה של פתיחה וסגירה עם תגובה תרמית נחשבה בעיקר כדי לקבוע את הגיאומטריה האופטימלית של האחיזה ההיברידית. בתחילה, הנפיחות וההתפלה של הידרוג'לים מבוססי NIPAM ו- AAm הוערכו על ידי מדידת שינויי הקוטר מטמפרטורת החדר ל -60 מעלות צלזיוס. בהתבסס על אימות זה של כוח הנפיחות, ההידרוג'ל מבוסס AAm הונח בחלק החיצוני של השכבה המבנית, וההידרוג'ל מבוסס NIPAM הונח בתוך השכבה המגיבה. עבודה זו אימתה את פונקציית האחיזה של מספר מבנים שונים של האחיזה ההיברידית, כגון גיאומטריות מעגליות ואליפטיות. באופן ספציפי, נבחרה צורה אליפטית כוללת עם צלחת שטוחה מבוססת NIPAM בפנים כדי להגביר את כוח הנפיחות-נפיחות כדי לאפשר למכשיר לאחוז היטב ולהחזיק מטרות בבטחה מבלי להפיל אותן במהלך משימות איסוף ומקום. בנוסף, אזור פרוגל סימטרי בצורת סהר תוכנן על גבי המבנה האליפטי כדי לשלב את התנועה המגנטית-תגובתית המדויקת של האחיזה ההיברידית.
האחיזה ההיברידית יוצרה בשיטת הדפסה תלת-ממדית מוכוונת נתיב (איור 3). ראשית, הידרוג'ל מבוסס AAm הודפס על החלק החיצוני של האחיזה כשכבה תומכת מבנה (איור 3A), ולאחר מכן ההידרוג'ל מבוסס NIPAM הודפס בפנים כשכבה מגיבה לגירויים (איור 3B). לאחר מכן, הוזרק פרוגל לבאר שבראש האחיזה ההיברידית (איור 3C). בשלב הראשון של שני תהליכי ההדפסה וההזרקה בתלת-ממד, ההידרוג'לים המסונתזים מבוססי AAm ו-NIPAM הועברו בזהירות למחסנית תלת-ממדית ריקה כדי לא להכניס אוויר פנימה. הזרקת הפרוגל כדי להתחבר במדויק לשכבת ההידרוג'ל המבנית המבוססת על AAm הייתה צריכה להתבצע בזהירות כדי למנוע בועות.
מגוון פרמטרים של הדפסה, כגון לחץ ההדפסה, מהירות, קוטר החרירים והרכב הדיו, אומתו כדי לקבוע את תנאי ההדפסה התלת-ממדית האופטימליים. ראינו שהתכונות הצמיגיות של הדיו הן הפרמטרים החשובים ביותר לקבלת תהליכי הדפסה מדויקים וריפוי UV. התכונות הצמיגיות נקבעות בעיקר על ידי יחס המשקל של חומר הדילול העצום (למשל, לפוניט RD). כדי לזהות את התכונות הריאולוגיות המתאימות של פתרונות הדיו, חיוני להתאים את חומר דילול הגזירה להדפסה מדויקת והתמצקות מהירה לאחר ההדפסה ולפני תהליך ריפוי UV. בנוסף, שכבות הידרוג'ל מבוססות AAm ו-NIPAM היו צריכות להיות מחוברות במדויק ללא חפיפה או רווחים ביניהן במהלך תהליך ההדפסה התלת-ממדית. אי-התאמה קטנה בכיווני X-Y והיסט בכיוון Z במהלך תהליך ההדפסה התלת-ממדית הכפולה עלולות לגרום לשגיאות משמעותיות במבנה הסופי. אם נצפתה אי-התאמה כלשהי, יש ליישר שוב את המיקום הקבוע מראש של כיווני X ו- Y עם היסט בכיוון Z בקוד G בכל שלב הדפסה עד שראשי ההדפסה הכפולים מיושרים באופן מושלם. כדי להשיג מבני אחיזה מיושרים במדויק ללא שגיאות, הוכנסו סמני כיול קטנים בצורת קובייה בארבע הפינות כדי לשמור על מרכז כל מבנה.
האחיזה ההיברידית הרכה ביצעה משימת איסוף ומיקום באמצעות הפעלה מגיבה תרמית ותנועה מגנטית. בתחילה נצפתה הפעלה תרמית של האחיזה ההיברידית הרכה. כאשר הטמפרטורה עלתה מעל טמפרטורת התמיסה הקריטית הנמוכה יותר (LCST), הג'ל המבוסס על NIPAM התכווץ, וקצה האחיזה נסגר, עקב התייבשות של הידרוג'ל מבוסס NIPAM. לעומת זאת, קצה האחיזה של האחיזה ההיברידית הרכה נפתח כאשר הטמפרטורה ירדה מתחת ל-LCST, עקב הנפיחות של הידרוג'ל מבוסס NIPAM (איור 4A). בנוסף, וידאנו כי שילוב פרוגל לא השפיע על קיפול האחיזה ההיברידית הרכה במהלך שינויי טמפרטורה.
מבוך פשוט באמצעות מדפסת תלת מימד יוצר, מלא במי DI והונח על פלטה חשמלית. האחיזה ההיברידית הרכה והנפוחה לחלוטין הונחה אז בעמדת ההתחלה של המבוך במצב קצה פתוח, וביצי סלמון הוצבו באזור המטרה. האחיזה ההיברידית הרכה הונחתה באמצעות מגנט חיצוני עד שהגיעה לביצי הסלמון. לאחר מכן, קצה האחיזה ההיברידית הרכה נסגר כדי לאחוז את ביצי הסלמון כאשר הטמפרטורה הגיעה ל -40 מעלות צלזיוס. לבסוף, האחיזה ההיברידית הרכה הוזזה אל מחוץ למבוך תוך שהיא אוחזת בביצי הסלמון, ואז היא שחררה את ביצי הסלמון באזור המטרה במצב קצה פתוח בטמפרטורת חדר של 25 מעלות צלזיוס (איור 4B). ביצי הסלמון שמרו על צורתן ללא כל נזק במהלך כל משימת האיסוף והמקום. בנוסף, נעשה שימוש במגנטים ניאודימיום כדי להנחות את האחיזה ההיברידית הרכה במהלך התנועה המגיבה למגנטית.
איור 1: הכנת הידרוג'ל ועיצוב האחיזה ההיברידית הרכה . (A) הידרוג'ל מבוסס AAm. (B) הידרוג'ל מבוסס NIPAM. (C) דיו של פרוגל. (D) עיצוב האחיזה ההיברידי הרך שנעשה באמצעות תוכנת AutoCAD ו-Slic3r. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: תהליך ייצור עבור הדפסה תלת-ממדית של אובייקט האחיזה ההיברידי הרך . (A) מצבי הדפסה כפולים עם דיו הידרוג'ל מבוסס AAm ודיו הידרוג'ל מבוסס NIPAM. (B) שכבת פרוגל. (C) צילום UV. (D) מצב שיווי משקל במי DI. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3. ייצור של האחיזה ההיברידית הרכה. (A) שכבת הידרוג'ל חיצונית שאינה מגיבה לגירויים על בסיס Aam. (B) שכבת הידרוג'ל מבוססת NIPAM המגיבה לגירויים פנימיים. (C) שכבת פרוגל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
תרשים 4. הפעלה ותנועה של האחיזה ההיברידית הרכה. (A) הפעלה מגיבה תרמית של האחיזה ההיברידית הרכה. (B) הדגמה של משימות בחירה ומיקום עם האחיזה ההיברידית הרכה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
במונחים של בחירת חומרים עבור האחיזה ההיברידית הרכה, מערכת חומרים רב-רספונסיבית המורכבת מהידרוג'ל מבוסס AAm שאינו מגיב לגירויים, הידרוג'ל מבוסס NIPAM מגיב תרמית, ופרוג'ל מגיב מגנטית הוכן לראשונה כדי לאפשר לאחיזה ההיברידית הרכה להציג שינוי תנועה וצורה הניתנים לתכנות. הודות לתכונות הנפיחות-נפיחות המגיבות תרמית שלהם, הידרוג'לים מבוססי NIPAM מציגים כיפוף, קיפול או קימוט כאשר הם מיוצרים כמבנים דו-שכבתיים או דו-פסיפיים עם הידרוג'לים בעלי תכונות נפיחות שונות, כגון הידרוג'לים מבוססי AAm1. בנוסף, הידרוג'לים יכולים להיות מתוכננים להיות מגיבים מגנטית על ידי הטמעת ננו-חלקיקי תחמוצת ברזל (Fe2O3). חשוב לציין, פרוגל מבוסס אקרילאמיד זההמשולבב- Fe 2 O3 יכול למלא תפקיד חשוב במתן אפשרות לתגובה מגנטית כדי להקל על תנועה מונעת שדה מגנטי של רובוטים רכים. בפרט, הוצע להשתמש בהידרוג'לים בעלי תגובה מגנטית במערכות רובוטיות רכות מבוססות הידרוג'ל לא קשורות, שיספקו גישות פחות פולשניות בסביבות עמוסות דינמית32.
חשוב לציין כי האחיזה ההיברידית הרכה דרשה הידבקות טובה בין שלושת ההידרוג'לים. כאשר ההדבקה לקויה, הממשק בין ההידרוג'לים יעבור דה-למינציה במהלך נפיחות והתנפחות חוזרות ונשנות בתגובה לטריגרים חיצוניים. בפרט, הידרוג'לים מבוססי אקרילאמיד הוכנסו כדי להבטיח הידבקות טובה תחת המניפולציה והתנועה החוזרת ונשנית מבחינה תרמית ומגנטית של האחיזה ההיברידית הרכה. בנוסף, נפיחות והתייבשות של הידרוג'לים מבוססי NIPAM שאינם מגיבים תרמית ושאינם מגיבים לגירויים מבוססי AAm אומתו כדי לצפות את מידת הכיפוף של האחיזה ההיברידית הרכה. יש לציין כי מודל סימולציה המבוסס על מסגרת התרמודינמיקה עם נפיחות הידרוג'ל (למשל, מודל פלורי-הוגינס) ומכניקה (למשל, מודל ניאו-הוקיאן) יכול לסייע בקביעת מידת הכיפוף כפונקציה של הנפיחות והטמפרטורה8. בהתבסס על אפיונים ניסיוניים ותיאורטיים אלה של קיפול האחיזה, נבחרה שכבת הידרוג'ל מבוססת NIPAM המגיבה תרמית עבור החלק הפנימי, ושכבת הידרוג'ל מבוססת AAm שאינה מגיבה לגירויים נבחרה עבור החלק החיצוני כדי לאפשר כיפוף של קצות האחיזה למרכז עם עליית הטמפרטורות.
במונחים של ייצור האחיזה ההיברידית הרכה, ניתן להשתמש בתהליך ההדפסה הארבע-ממדי (4D) תלוי הזמן שלנו כדי ליצור רובוטים רכים מגוונים המגיבים לגירויים עם טווח גדלים רחב ממילימטרים עד סנטימטרים. לאחרונה, השילוב של הדפסה בתלת-ממד וחומרים חכמים המגיבים לגירויים סיפק מסלול חדש לפיתוח מבנים תלת-ממדיים חכמים הניתנים לשינוי צורה כאשר הם נחשפים למקור גירוי מתאים. יחד עם טכניקת ההדפסה ב-4D באמצעות הידרוג'ל מגיב לגירויים הניתנים לתכנות, נתיבי הדפסה תלת-ממדית מגוונים של חומרים המגיבים לגירויים יכולים להציג גיאומטריות נפוחות סופיות שונות המציגות מבנים מעוקלים, מגולגלים, מקופלים או סליליים משתנים26. הפיתוח של אסטרטגיית הדפסה חדשנית זו ב-4D משך תשומת לב משמעותית בשל יכולת ההרחבה ויכולת הייצור המשמעותיות שלה ליצירת רובוטים רכים חכמים המגיבים לגירויים.
עם זאת, הדפסה 4D של הידרוג'לים מגוונים דורשת מספר אתגרים שיש להתגבר עליהם. ראשית, זמן התגובה להפעלה הניתנת לשינוי צורה של הידרוג'לים מודפסים ב-4D הוא איטי למדי. יש צורך בכוונון עדין נוסף של הרכב ההידרוג'ל המשולב עם חומרים פונקציונליים (למשל, ננו-חלקיקים, חומרים בעלי ממדים נמוכים, גבישים נוזליים ואפילו DNAs ביולוגיים) כדי לשפר את זמן התגובה. בנוסף, יש לבדוק היטב את כיול המיקום של כיוון Z ואת היישור של כיווני X-Y בכל שלב במהלך תהליך ההדפסה הכפול. כדי לקבל תהליך הדפסה רציף ללא כל אי-התאמה, יש לבדוק פעמיים את הערכים המוגדרים מראש בכיוונים X, Y ו- Z בקובצי G-code ולחזור עליהם מספר פעמים עד שראשי ההדפסה מיושרים באופן מושלם.
מנקודת מבט של יישום, מאמר זה מציג אובייקטי אחיזה היברידיים רכים בעלי תגובה תרמית ומגנטית המבצעים באופן פעיל משימות של איסוף ומיקום. התהליך הרציף של אחיזה בטוחה והחזקה בטוחה של אובייקט הוא קריטי ברובוטיקה רכה. האחיזה הרכה המגיבה לגירויים הראתה את האפשרות לפתח מערכת מניפולציה חכמה שיכולה לאחוז ולשחרר אובייקטים בדיוק בצורה פחות פולשנית או לא פולשנית בהתאם לתהליך ההדלקה של הגירויים החיצוניים32. לאחרונה, כדי להשיג את התנועה האוטומטית של אחיזה רכה למשימות מדויקות של איסוף ומקום, פותחו מערכות שדה מגנטי מצומדות למשוב תמונה אולטרסאונד במקביל33. למרות שהוא עדיין ברמה הרעיונית, אנו מצפים שהפרוטוקול הספציפי הזה להדפסה בתלת-ממד של אחיזה היברידית רכה המגיבה לגירויים יספק בסיס להתקדמות משמעותית נוספת בפיתוח רובוטים רכים הניתנים לשליטה מדויקת, רגישים מאוד ורב-תכליתיים המגיבים לגירויים חכמים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים מצהירים על היעדר ניגוד עניינים.
Acknowledgments
המחברים מודים על תמיכה ממענק קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF) במימון ממשלת קוריאה (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).
