Summary
Questo manoscritto descrive una strategia di stampa 4D per la fabbricazione di robot morbidi intelligenti sensibili agli stimoli. Questo approccio può fornire le basi per facilitare la realizzazione di sistemi robotici morbidi trasformabili in forma intelligente, inclusi manipolatori intelligenti, elettronica e sistemi sanitari.
Abstract
Il presente protocollo descrive la creazione di robot morbidi quadridimensionali (4D), dipendenti dal tempo, mutabili dalla forma, sensibili agli stimoli utilizzando un metodo di bio-stampa tridimensionale (3D). Recentemente, le tecniche di stampa 4D sono state ampiamente proposte come nuovi metodi innovativi per lo sviluppo di robot morbidi trasformabili dalla forma. In particolare, la trasformazione della forma dipendente dal tempo 4D è un fattore essenziale nella robotica morbida perché consente alle funzioni efficaci di verificarsi al momento e nel luogo giusto quando innescate da segnali esterni, come calore, pH e luce. In linea con questa prospettiva, i materiali sensibili agli stimoli, tra cui idrogel, polimeri e ibridi, possono essere stampati per realizzare sistemi robotici morbidi trasformabili in modo intelligente. L'attuale protocollo può essere utilizzato per fabbricare pinze morbide termicamente sensibili composte da idrogel a base di N-isopropilacrilammide (NIPAM), con dimensioni complessive che vanno da millimetri a centimetri di lunghezza. Si prevede che questo studio fornirà nuove direzioni per la realizzazione di sistemi robotici morbidi intelligenti per varie applicazioni in manipolatori intelligenti (ad esempio, pinze, attuatori e macchine pick-and-place), sistemi sanitari (ad esempio, capsule di farmaci, strumenti per biopsia e microchirurgia) ed elettronica (ad esempio, sensori indossabili e fluidica).
Introduction
Lo sviluppo di robot morbidi sensibili agli stimoli è importante sia dal punto di vista tecnico che intellettuale. Il termine robot morbidi sensibili agli stimoli si riferisce generalmente a dispositivi / sistemi composti da idrogel, polimeri, elastomeri o ibridi che mostrano cambiamenti di forma in risposta a segnali esterni, come calore, pH e luce 1,2,3,4. Tra i molti robot morbidi sensibili agli stimoli, i robot morbidi a base di idrogel N-isopropilacrilammide (NIPAM) eseguono i compiti o le interazioni desiderati utilizzando la trasformazione spontanea della forma 5,6,7,8. Generalmente, gli idrogel a base di NIPAM presentano una bassa temperatura critica della soluzione (LCST) e gonfiore (idrofilia al di sotto della LCST) e degonfiamento (idrofobicità sopra l'LCST) cambiamenti di proprietà si verificano all'interno del sistema idrogel vicino a temperature fisiologiche tra 32 ° C e 36 ° C 9,10. Questo meccanismo reversibile di rigonfiamento-degonfiore vicino al punto di transizione critico acuto dell'LCST può generare la trasformazione della forma dei robot morbidi in idrogel a base di NIPAM2. Di conseguenza, i robot morbidi in idrogel a base di NIPAM termicamente reattivi hanno migliorato le operazioni, come camminare, afferrare, strisciare e rilevare, che sono importanti nei manipolatori multifunzionali, nei sistemi sanitari e nei sensori intelligenti 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Nella fabbricazione di robot morbidi sensibili agli stimoli, gli approcci di stampa tridimensionale (3D) sono stati ampiamente impiegati utilizzando un processo additivo diretto strato per strato22. Una varietà di materiali, come plastica e idrogel morbidi, può essere stampata con la stampa 3D23,24. Recentemente, la stampa 4D è stata ampiamente evidenziata come una tecnica innovativa per la creazione di robot morbidi programmabili in forma25,26,27,28. Questa stampa 4D si basa sulla stampa 3D e la caratteristica principale della stampa 4D è che le strutture 3D possono cambiare le loro forme e proprietà nel tempo. La combinazione di stampa 4D e idrogel sensibili agli stimoli ha fornito un altro percorso innovativo per creare dispositivi 3D intelligenti che cambiano forma nel tempo quando esposti a trigger di stimolo esterni appropriati, come calore, pH, luce e campi magnetici ed elettrici25,26,27,28 . Lo sviluppo di questa tecnica di stampa 4D utilizzando diversi idrogel sensibili agli stimoli ha fornito un'opportunità per l'emergere di robot morbidi trasformabili in forma che mostrano multifunzionalità con velocità di risposta e sensibilità di feedback migliorate.
Questo studio descrive la creazione di una pinza morbida termicamente reattiva guidata dalla stampa 3D che visualizza la trasformazione della forma e la locomozione. In particolare, la procedura specifica descritta può essere utilizzata per fabbricare vari robot morbidi multifunzionali con dimensioni complessive che vanno dal millimetro al centimetro scale di lunghezza. Infine, si prevede che questo protocollo possa essere applicato in diversi campi, tra cui robot morbidi (ad esempio, attuatori intelligenti e robot di locomozione), elettronica flessibile (ad esempio, sensori optoelettrici e lab-on-a-chip) e sistemi sanitari (ad esempio, capsule di somministrazione di farmaci, strumenti per biopsia e dispositivi chirurgici).
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Protocol
La pinza morbida sensibile agli stimoli era composta da tre diversi tipi di idrogel: idrogel a base di acrilammide (AAm) non sensibile agli stimoli, idrogel a base di N-isopropilacrilammide (NIPAM) termicamente sensibile e ferrogel magnetico sensibile (Figura 1). I tre inchiostri idrogel sono stati preparati modificando i metodi precedentemente pubblicati 29,30,31. I dati presentati in questo studio sono disponibili su richiesta presso l'autore corrispondente.
1. Preparazione di inchiostri idrogel
- Inchiostri idrogel a base di AAm non sensibili agli stimoli (Figura 1A)
- Diluire l'acrilammide (AAm), il reticolante N, N'-metilenebisacrilammide (BIS) (vedi tabella dei materiali) e il fotoiniziatore 2-idrossi-4'-(2-idrossietossi)-2-metilpropiofenone (vedi tabella dei materiali) in acqua distillata (DI) utilizzando un agitatore magnetico per 24 ore.
- Vortice l'agente diluente al taglio, la nanoargilla RD di laponite e il colorante fluoresceina O-metacrilato (vedi Tabella dei materiali) a 1.150 giri / min per almeno 6 ore fino a quando non si diluiscono completamente.
- Preparare pesi specifici di inchiostro idrogel a base di AAm per un totale di 20 ml di base della soluzione: 1,576 g di AAm, 0,332 g di BIS, 1,328 g di laponite RD, 0,166 g di fotoiniziatore, 0,1 mg di NaOH, 0,1 mg di fluoresceina O-metacrilato (vedi Tabella dei materiali) e 16,594 g di acqua DI.
- Dopo la diluizione totale, trasferire l'inchiostro idrogel a base di AAm in una cartuccia di stampa 3D vuota (vedere la tabella dei materiali) utilizzando una siringa.
- Inchiostri idrogel a base NIPAM sensibili agli stimoli (Figura 1B)
- Diluire l'N-isopropilacrilammide (NIPAM), il poli-N-isopropilacrilammide (PNIPAM) e il fotoiniziatore (vedere Tabella dei materiali) in acqua DI utilizzando un agitatore magnetico per 24 ore.
- Vortex l'agente diluente di taglio, laponite RD nanoclay e fluoresceina rodamina 6G colorare a 1.150 giri / min per almeno 6 ore fino a quando non si diluiscono completamente.
- Preparare pesi specifici di inchiostro idrogel a base di NIPAM per un totale di 20 ml di base della soluzione: 1,692 g di NIPAM, 0,02 g di pNIPAM, 1,354 g di laponite RD, 0,034 g di fotoiniziatore, 0,1 mg di rodamina 6G (vedere Tabella dei materiali) e 16,92 g di acqua DI.
- Dopo la completa diluizione, trasferire l'inchiostro idrogel a base di NIPAM in una cartuccia di stampa 3D vuota utilizzando una siringa.
- Inchiostri ferrogel (Figura 1C)
- Preparare la soluzione A: acrilammide diluita (AAm) e reticolante, N, N'-metilenebisacrilammide (BIS), ossido ferrico (Fe2O3) e N, N, N', N'-tetrametiletilendiammina (TMEDA) (vedi tabella dei materiali) in acqua DI.
- Si consideri la percentuale di peso specifico (wt%) dei materiali: 71% AAm, 3,5% BIS e 25,5% Fe 2 O3 in1,2mL di acqua DI con 10 μL di acceleratore TMEDA.
- Preparare la soluzione B: diluire 0,8 g di persolfato di ammonio (APS; vedere Tabella dei materiali) in 10 ml di acqua AI.
- Per la polimerizzazione, trasferire 200 μL della soluzione A e 5 μL della soluzione B in una provetta per microcentrifuga.
- Vortice il tubo della microcentrifuga per 20 s.
2. Ottimizzazione del design della pinza ibrida morbida
NOTA: La pinza ellittica ibrida morbida è composta da uno strato esterno di idrogel a base di AAm, uno strato interno di idrogel a base di NIPAM e uno strato superiore di ferrogel (Figura 1D). La pinza ibrida morbida ellittica complessiva è stata creata utilizzando il software AutoCAD (vedere Tabella dei materiali).
- Design bidimensionale dello strato di idrogel a base di AAm
- Disegna una forma ellittica con un asse verticale di 24 mm e un asse orizzontale di 20 mm nella parte più esterna.
- Disegnate un'altra forma ellittica con un asse verticale di 20,8 mm e un asse orizzontale di 16,8 mm con lo stesso punto centrale della forma disegnata nel punto 2.1.1.
- Disegnate un arco di tre punti che passi attraverso i punti (−8,24, 2), (0, 6) e (8,24, 2) lontano dal punto centrale dell'ellisse.
- Rifilate la piccola parte superiore dell'eclissi divisa dall'arco.
- Design bidimensionale dello strato di idrogel a base NIPAM
- Disegnate un ovale con un asse verticale di 20,2 mm e un asse orizzontale di 16,4 mm con lo stesso punto centrale della forma disegnata nel punto 2.1.1.
- Disegnate un'ellisse con un asse verticale di 16,16 mm e un asse orizzontale di 13,12 mm con lo stesso punto centrale della forma disegnata nel punto 2.1.1.
- Disegnate un arco di tre punti che passi attraverso i punti (−7,86, 1,83), (0, 5,6) e (7,86, 1,83) lontano dal punto centrale dell'ellisse.
- Disegnate un arco di tre punti che passi attraverso i punti (−5,47, 1,64), (0, 3,18) e (5,47, 1,64) lontano dal punto centrale dell'ellisse.
- Taglia la piccola parte superiore delle ellissi divisa dagli archi.
- Per creare un piedistallo, disegna un arco con due punti di distanza dal punto centrale a (-4,75, −2,71) e (4,75, −2,71) come entrambi i punti finali e un punto lontano dal punto centrale a (0, -4,59).
- Design bidimensionale dello strato di ferrogel
- Disegnate un arco di tre punti che passi attraverso i punti (-7, 4,92), (0, 9,2) e (7, 4,92) lontano dal punto centrale dell'ellisse.
- Disegnate un arco di tre punti che passi attraverso i punti (-7, 4,92), (0, 7,6) e (7, 4,92) lontano dal punto centrale dell'ellisse.
- Design bidimensionale delle punte della pinza
- Per rendere la parte di presa della pinza, tagliare 0,8 mm da ciascun lato dalla linea centrale nella parte inferiore dell'ellisse.
- Design della pinza ibrida tridimensionale
- Per trasformare il design complessivo della pinza ibrida 2D in 3D, estrudere il piedistallo del gel reattivo di 0,8 mm ed estrudere il gel non reattivo, l'ovale tagliato del gel reattivo e il ferrogel di 2,5 mm.
3. Stampa tridimensionale della pinza ibrida morbida
- Generare un G-code30 per ogni struttura creata nella fase 2 utilizzando il software Slic3r (vedi Tabella dei materiali) con un'altezza dello strato di 0,4 mm, una velocità di stampa di 10 mm-1 e una densità di riempimento del 75%. Modificare il file G-code utilizzando due testine di stampa.
- Salvare il file G-code su una scheda Secure Digital (SD) e collegarlo alla stampante 3D (vedere Tabella dei materiali) per generare i percorsi di stampa della pinza morbida.
- Collegare un controllo della pressione della pompa dell'aria alla stampante 3D.
- Scegli le punte degli ugelli con diametri di 0,25 mm e 0,41 mm rispettivamente per l'idrogel a base di NIPAM e l'idrogel a base di AAm.
- Collegare la cartuccia di idrogel a base di AAm all'ugello 1 e la cartuccia di idrogel a base di NIPAM all'ugello 2.
- Controllare se le due testine di stampa delle cartucce si trovano nella stessa posizione sull'asse z.
- Calibrare con precisione le coordinate X e Y per evitare disallineamenti tra i due ugelli.
- Impostare la pressione di stampa a 20-25 KPa per l'idrogel a base di AAm e a 10-15 KPa per l'idrogel a base di NIPAM.
- Ripetere i passaggi 3.5-3.8 quando ogni campione è completamente stampato (Figura 2A).
4. Fotopolimerizzazione UV della pinza ibrida morbida
- Prima della fotopolimerizzazione UV, iniettare gli inchiostri ferrogel sensibili al campo magnetico (preparati nel passaggio 1.3) nell'area del foro sottile mirata della pinza morbida stampata in 3D utilizzando una siringa.
- Dopo l'iniezione del ferrogel, posizionare la struttura della pinza all'interno di una camera della sorgente UV con una lunghezza d'onda di 365 nm per 6 minuti. Fissare l'intensità della luce UV a 4,9 mJ/s.
- Dopo la fotopolimerizzazione UV, trasferire la struttura della pinza in un bagno d'acqua DI per almeno 24 ore fino a raggiungere uno stato di equilibrio completamente gonfio (Figura 2B-D).
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Representative Results
L'idrogel a base di NIPAM è stato considerato principalmente durante la progettazione della pinza morbida termicamente reattiva grazie al suo LCST affilato, che lo fa esibire significative proprietà di rigonfiamento e rigonfiamento 9,10. Inoltre, l'idrogel a base di AAm è stato considerato come un sistema non sensibile agli stimoli per massimizzare la trasformazione della forma della pinza ibrida morbida, riducendo al contempo la delaminazione dell'interfaccia durante più processi di riscaldamento e raffreddamento. Inoltre, il ferrogel è stato integrato in questo sistema ibrido per creare una pinza ibrida morbida sensibile al campo magnetico per il controllo senza fili della locomozione guidata dal campo magnetico. In particolare, l'iniezione di inchiostro ferrogel deve essere condotta prima della polimerizzazione per evitare la separazione dalla struttura idrogel a base di NIPAM.
L'azionamento dell'apertura e della chiusura termicamente reattive è stato considerato principalmente per determinare la geometria ottimale della pinza ibrida. Inizialmente, il rigonfiamento e il degonfiamento degli idrogel a base di NIPAM e AAm sono stati valutati misurando le variazioni di diametro dalla temperatura ambiente a 60 °C. Sulla base di questa verifica del potere di rigonfiamento, l'idrogel a base di AAm è stato posizionato nella parte esterna dello strato strutturale e l'idrogel a base di NIPAM è stato posizionato all'interno dello strato reattivo. Questo lavoro ha verificato la funzione di presa di diverse strutture della pinza ibrida, come geometrie circolari ed ellittiche. In particolare, è stata scelta una forma ellittica complessiva con una piastra piatta a base NIPAM all'interno per aumentare il potere di rigonfiamento e rigonfiamento per consentire al dispositivo di afferrare bene e di tenere i bersagli in sicurezza senza lasciarli cadere durante le attività di pick-and-place. Inoltre, un'area simmetrica di ferrogel a forma di mezzaluna è stata progettata sulla parte superiore della struttura ellittica per integrare la precisa locomozione magnetica della pinza ibrida.
La pinza ibrida è stata fabbricata utilizzando un metodo di stampa 3D additivo orientato al percorso (Figura 3). In primo luogo, l'idrogel a base di AAm è stato stampato all'esterno della pinza come strato di supporto della struttura (Figura 3A), quindi l'idrogel a base di NIPAM è stato stampato all'interno come strato sensibile agli stimoli (Figura 3B). Successivamente, il ferrogel è stato iniettato nel pozzetto nella parte superiore della pinza ibrida (Figura 3C). Per la prima fase dei doppi processi di stampa 3D e iniezione, gli idrogel sintetizzati a base di AAm e NIPAM sono stati accuratamente trasferiti su una cartuccia 3D vuota in modo da non far entrare l'aria. L'iniezione del ferrogel per connettersi con precisione con lo strato di idrogel strutturale a base di AAm doveva essere condotta con attenzione per evitare bolle.
Una varietà di parametri di stampa, come la pressione di stampa, la velocità, il diametro dell'ugello e la composizione dell'inchiostro, sono stati verificati per determinare le condizioni ottimali di stampa 3D. Abbiamo osservato che le proprietà viscoelastiche degli inchiostri erano i parametri più importanti per ottenere processi di stampa e polimerizzazione UV precisi. Le proprietà viscoelastiche sono determinate principalmente dal rapporto in peso dell'agente diluente puro (ad es. laponite RD). Per identificare le caratteristiche reologiche appropriate delle soluzioni di inchiostro, è essenziale regolare l'agente diluente per una stampa precisa e una rapida solidificazione dopo la stampa e prima del processo di polimerizzazione UV. Inoltre, gli strati di idrogel a base di AAm e NIPAM dovevano essere collegati con precisione senza sovrapposizioni o spazi tra loro durante il processo di stampa 3D. Un piccolo disallineamento nelle direzioni X-Y e un offset nella direzione Z durante il doppio processo di stampa 3D possono causare errori significativi nella struttura finale. Se si osserva un disallineamento, il posizionamento preimpostato delle direzioni X e Y con un offset nella direzione Z nel codice G deve essere nuovamente allineato ad ogni fase di stampa fino a quando le due testine di stampa non sono perfettamente allineate. Per ottenere strutture di presa allineate con precisione senza errori, sono stati inseriti piccoli marcatori di calibrazione a forma di cubo ai quattro angoli per preservare il centro di ogni struttura.
La pinza ibrida morbida ha eseguito un compito pick-and-place tramite azionamento termicamente reattivo e locomozione magnetica. Inizialmente, è stato osservato un azionamento termicamente reattivo della pinza ibrida morbida. Quando la temperatura aumentava al di sopra della temperatura inferiore della soluzione critica (LCST), il gel a base di NIPAM si riduceva e la punta della pinza si chiudeva, a causa del degonfiore dell'idrogel a base di NIPAM. Al contrario, la punta della pinza ibrida morbida si è aperta quando la temperatura è diminuita al di sotto dell'LCST, a causa del gonfiore dell'idrogel a base di NIPAM (Figura 4A). Inoltre, abbiamo verificato che l'incorporazione di ferrogel non ha influenzato la piegatura della pinza ibrida morbida durante le variazioni di temperatura.
Un semplice labirinto utilizzando una stampante 3D è stato fabbricato, riempito con acqua DI e posizionato su una piastra calda. La pinza ibrida morbida completamente gonfia è stata quindi posizionata nella posizione di partenza del labirinto in uno stato aperto e le uova di salmone sono state posizionate nell'area target. La pinza ibrida morbida è stata guidata utilizzando un magnete esterno fino a raggiungere le uova di salmone. Quindi, la punta della pinza ibrida morbida si chiudeva per afferrare le uova di salmone quando la temperatura raggiungeva i 40 ° C. Infine, la pinza ibrida morbida è stata spostata fuori dal labirinto mentre teneva le uova di salmone, quindi ha rilasciato le uova di salmone nell'area target in uno stato aperto a una temperatura ambiente di 25 ° C (Figura 4B). Le uova di salmone hanno mantenuto la loro forma senza alcun danno durante l'intero compito di prelievo e posizionamento. Inoltre, sono stati utilizzati magneti al neodimio per guidare la pinza ibrida morbida durante la locomozione magnetica.
Figura 1: Preparazione dell'idrogel e design della pinza ibrida morbida . (A) Idrogel a base di AAm. (B) idrogel a base di NIPAM. (C) Inchiostri ferrogel. (D) Il design della pinza ibrida morbida realizzato utilizzando i software AutoCAD e Slic3r. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Processo di fabbricazione per la stampa 3D della pinza ibrida morbida . (A) Doppia modalità di stampa con inchiostri idrogel a base AAm e idrogel a base NIPAM. B) Strato di ferrogel. (C) Fotopolimerizzazione UV. (D) Stato di equilibrio in acqua AI. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3. Fabbricazione della pinza ibrida morbida. (A) Strato esterno di idrogel a base di Aam non sensibile agli stimoli. (B) Strato di idrogel a base di NIPAM sensibile agli stimoli interni. C) strato di ferrogel. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4. Azionamento e locomozione della pinza ibrida morbida. (A) Azionamento termicamente reattivo della pinza ibrida morbida. (B) Dimostrazione di compiti pick-and-place con la pinza ibrida morbida. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
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Discussion
In termini di selezione del materiale per la pinza ibrida morbida, è stato preparato per la prima volta un sistema di materiali multi-reattivo composto da un idrogel a base di AAm non sensibile agli stimoli, un idrogel a base di NIPAM termicamente reattivo e un ferrogel magnetico sensibile per consentire alla pinza ibrida morbida di mostrare locomozione programmabile e trasformazione della forma. A causa delle loro proprietà di rigonfiamento e rigonfiamento termicamente reattive, gli idrogel a base di NIPAM mostrano flessione, piegatura o rugosità quando fabbricati come strutture a doppio strato o bi-striscia con idrogel con diverse proprietà di rigonfiamento, come gli idrogel a base di AAm1. Inoltre, gli idrogel possono essere progettati per essere magneticamente reattivi incorporando nanoparticelle di ossido di ferro (Fe2O3). È importante sottolineare che questo ferrogel a base di acrilammide incorporato in Fe2O3 può svolgere un ruolo importante nel consentire la reattività magnetica per facilitare la locomozione guidata dal campo magnetico del robot morbido. In particolare, è stato proposto l'uso di idrogel magneticamente reattivi in sistemi robotici morbidi basati su idrogel non collegati, che fornirebbero approcci meno invasivi in ambienti dinamicamente disordinati32.
È importante sottolineare che la pinza ibrida morbida richiedeva una buona adesione tra i tre idrogel. Quando l'adesione è scarsa, l'interfaccia tra gli idrogel verrà delaminata durante ripetuti gonfiori e rigonfiamenti in risposta a trigger esterni. In particolare, sono stati introdotti idrogel a base di acrilammide per garantire una buona adesione sotto la ripetuta manipolazione e locomozione termicamente e magneticamente reattiva della pinza ibrida morbida. Inoltre, sono stati verificati il gonfiore e il degonfiore degli idrogel a base di AAm a base di NIPAM e non sensibili agli stimoli per anticipare il grado di flessione della pinza ibrida morbida. Va notato che un modello di simulazione basato sul quadro termodinamico con rigonfiamento dell'idrogel (ad esempio, il modello di Flory-Huggins) e la meccanica (ad esempio, il modello Neo-Hookean) può aiutare a determinare l'entità della flessione in funzione del gonfiore e della temperatura8. Sulla base di queste caratterizzazioni sperimentali e teoriche del ripiegamento della pinza, è stato scelto uno strato di idrogel a base di NIPAM termicamente reattivo per la parte interna e uno strato di idrogel a base di AAm non sensibile agli stimoli è stato scelto per la parte esterna per consentire la flessione delle punte di presa al centro con l'aumentare delle temperature.
In termini di fabbricazione della pinza ibrida morbida, il nostro processo di stampa quadridimensionale (4D) dipendente dal tempo può essere utilizzato per creare diversi robot morbidi sensibili agli stimoli con un'ampia gamma di dimensioni da millimetri a centimetri. Recentemente, la combinazione di stampa 4D e materiali intelligenti sensibili agli stimoli ha fornito un nuovo percorso per lo sviluppo di strutture 3D intelligenti che sono trasformabili quando esposte a una fonte di stimolo appropriata. Insieme alla tecnica di stampa 4D che utilizza un idrogel programmabile sensibile agli stimoli, diversi percorsi di stampa 3D di materiali sensibili agli stimoli possono presentare diverse geometrie gonfie finali che mostrano diverse strutture curve, arrotolate, piegate o elicoidali26. Lo sviluppo di questa innovativa strategia di stampa 4D ha attirato un'attenzione significativa grazie alla sua significativa scalabilità e producibilità per la creazione di robot morbidi intelligenti sensibili agli stimoli.
Tuttavia, la stampa 4D di diversi idrogel richiede diverse sfide da superare. Innanzitutto, il tempo di risposta per l'attuazione mutevole della forma degli idrogel stampati in 4D è piuttosto lento. È necessaria un'ulteriore messa a punto della composizione dell'idrogel integrata con materiali funzionali (ad esempio, nanoparticelle, materiali a bassa dimensionalità, cristalli liquidi e persino DNA biologico) per migliorare il tempo di risposta. Inoltre, la calibrazione del posizionamento della direzione Z e l'allineamento delle direzioni X-Y devono essere ricontrollati in ogni fase durante il doppio processo di stampa. Per ottenere un processo di stampa continuo senza alcun disallineamento, i valori preimpostati nelle direzioni X, Y e Z nei file G-code devono essere ricontrollati e ripetuti più volte fino a quando le testine di stampa sono perfettamente allineate.
Dal punto di vista dell'applicazione, questo documento introduce pinze ibride morbide reattive termicamente e magneticamente che eseguono attivamente attività pick-and-place. Il processo sequenziale di afferrare e tenere saldamente un oggetto in modo sicuro è fondamentale nella robotica morbida. La pinza morbida sensibile agli stimoli ha dimostrato la possibilità di sviluppare un sistema di manipolazione intelligente in grado di afferrare e rilasciare oggetti con precisione in modo meno invasivo o non invasivo in base al processo di stimolazione esterna on-off32. Più recentemente, per ottenere la locomozione automatizzata di una pinza morbida per compiti pick-and-place accurati, in parallelo33 sono stati sviluppati sistemi di campo magnetico a gradiente accoppiati a feedback di immagini a ultrasuoni. Sebbene sia ancora a livello concettuale, ci aspettiamo che questo protocollo specifico per la stampa 4D di una pinza ibrida morbida sensibile agli stimoli fornirà una base per ulteriori progressi significativi nello sviluppo di robot morbidi intelligenti controllabili con precisione, altamente sensibili e multifunzionali che rispondono agli stimoli.
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Disclosures
Gli autori non dichiarano conflitti di interesse.
Acknowledgments
Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno della sovvenzione della National Research Foundation of Korea (NRF) finanziata dal governo coreano (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).
