Summary
Dette manuskriptet beskriver en 4D-utskriftsstrategi for å fremstille intelligente stimuli-responsive myke roboter. Denne tilnærmingen kan gi grunnlag for å lette realiseringen av intelligente formtransformerbare myke robotsystemer, inkludert smarte manipulatorer, elektronikk og helsevesen.
Abstract
Den nåværende protokollen beskriver opprettelsen av firedimensjonale (4D), tidsavhengige, formforanderlige, stimuli-responsive myke roboter ved hjelp av en tredimensjonal (3D) bioutskriftsmetode. Nylig har 4D-utskriftsteknikker blitt mye foreslått som innovative nye metoder for å utvikle formtransformerbare myke roboter. Spesielt er 4D-tidsavhengig formtransformasjon en viktig faktor i myk robotikk fordi den tillater effektive funksjoner å skje til rett tid og sted når de utløses av eksterne signaler, for eksempel varme, pH og lys. I tråd med dette perspektivet kan stimuli-responsive materialer, inkludert hydrogeler, polymerer og hybrider, skrives ut for å realisere smarte formtransformerbare myke robotsystemer. Den nåværende protokollen kan brukes til å fremstille termisk responsive myke gripere sammensatt av N-isopropylacrylamide (NIPAM)-baserte hydrogeler, med totale størrelser som spenner fra millimeter til centimeter i lengde. Det forventes at denne studien vil gi nye retninger for å realisere intelligente myke robotsystemer for ulike applikasjoner i smarte manipulatorer (f.eks. Gripere, aktuatorer og pick-and-place-maskiner), helsevesen (f.eks. Narkotikakapsler, biopsiverktøy og mikrokirurgi) og elektronikk (f.eks. Bærbare sensorer og fluidikk).
Introduction
Utviklingen av stimuli-responsive myke roboter er viktig fra både tekniske og intellektuelle perspektiver. Begrepet stimuli-responsive myke roboter refererer generelt til enheter / systemer sammensatt av hydrogeler, polymerer, elastomerer eller hybrider som viser formendringer som svar på eksterne signaler, for eksempel varme, pH og lys 1,2,3,4. Blant de mange stimuli-responsive myke robotene utfører N-isopropylacrylamid (NIPAM) hydrogelbaserte myke roboter de ønskede oppgavene eller interaksjonene ved hjelp av spontan formtransformasjon 5,6,7,8. Generelt viser NIPAM-baserte hydrogeler en lav kritisk løsningstemperatur (LCST), og hevelse (hydrofilitet under LCST) og deswelling (hydrofobisitet over LCST) egenskapsendringer forekommer inne i hydrogelsystemet nær fysiologiske temperaturer mellom 32 ° C og 36 ° C 9,10. Denne reversible hevelsesdeswelling-mekanismen nær det skarpe kritiske overgangspunktet til LCST kan generere formtransformasjonen av NIPAM-baserte hydrogel myke roboter2. Som et resultat har termisk responsive NIPAM-baserte hydrogel myke roboter forbedret operasjoner, for eksempel å gå, gripe, krype og sensing, som er viktige i multifunksjonelle manipulatorer, helsevesen og smarte sensorer 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Ved fremstilling av stimuli-responsive myke roboter har tredimensjonale (3D) utskriftsmetoder blitt mye brukt ved hjelp av en direkte lag-for-lag additiv prosess22. En rekke materialer, som plast og myke hydrogeler, kan skrives ut med 3D-printing23,24. Nylig har 4D-utskrift blitt mye fremhevet som en innovativ teknikk for å lage formprogrammerbare myke roboter25,26,27,28. Denne 4D-utskriften er basert på 3D-utskrift, og nøkkelkarakteristikken ved 4D-utskrift er at 3D-strukturene kan endre former og egenskaper over tid. Kombinasjonen av 4D-utskrift og stimuli-responsive hydrogeler har gitt en annen innovativ rute for å skape smarte 3D-enheter som endrer form over tid når de utsettes for passende eksterne stimulusutløsere, for eksempel varme, pH, lys og magnetiske og elektriske felt25,26,27,28 . Utviklingen av denne 4D-utskriftsteknikken ved hjelp av ulike stimuli-responsive hydrogeler har gitt en mulighet for fremveksten av formtransformerbare myke roboter som viser multifunksjonalitet med forbedrede responshastigheter og tilbakemeldingsfølsomhet.
Denne studien beskriver opprettelsen av en 3D-utskriftsdrevet termisk responsiv mykgriper som viser formtransformasjon og bevegelse. Spesielt kan den spesifikke prosedyren som er beskrevet, brukes til å fremstille forskjellige multifunksjonelle myke roboter med generelle størrelser fra millimeter til centimeter lengdeskalaer. Til slutt forventes det at denne protokollen kan brukes på flere felt, inkludert myke roboter (f.eks. Smarte aktuatorer og bevegelsesroboter), fleksibel elektronikk (f.eks. Optoelektriske sensorer og lab-on-a-chip) og helsevesen (f.eks. Legemiddelleveringskapsler, biopsiverktøy og kirurgisk utstyr).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Den stimuli-responsive myke griperen var sammensatt av tre forskjellige typer hydrogeler: ikke-stimuli-responsivt akrylamid (AAm)-basert hydrogel, termisk responsiv N-isopropylakrylamid (NIPAM)-basert hydrogel og magnetisk responsiv ferrogel (figur 1). De tre hydrogelblekkene ble fremstilt ved å modifisere tidligere publiserte metoder 29,30,31. Dataene som presenteres i denne studien er tilgjengelig på forespørsel fra korresponderende forfatter.
1. Fremstilling av hydrogel blekk
- Ikke-stimuli-responsive AAm-baserte hydrogelblekk (figur 1A)
- Fortynn akrylamidet (AAm), tverrbindingen N, N'-metylenbisakrylamid (BIS) (se materialtabell) og fotoinitiatoren 2-hydroksy-4'-(2-hydroksyetoksy)-2-metylpropiofenon (se materialtabell) i destillert (DI) vann ved hjelp av en magnetisk omrører i 24 timer.
- Vortex skjærfortynnende middel, laponitt RD nanoclay og fluorescein O-metakrylatfargestoff (se materialtabell) ved 1,150 o / min i minst 6 timer til de fortynnes helt.
- Forbered spesifikke vekter av AAm-basert hydrogelblekk per totalt 20 ml løsningsbase: 1,576 g AAm, 0,332 g BIS, 1,328 g laponitt RD, 0,166 g fotoinitiator, 0,1 mg NaOH, 0,1 mg fluorescein O-metakrylat (se materialtabell) og 16,594 g DI-vann.
- Etter total fortynning, overfør AAm-basert hydrogelblekk til en tom 3D-utskriftskassett (se materialtabell) ved hjelp av en sprøyte.
- Stimuliresponsivt NIPAM-basert hydrogelblekk (figur 1B)
- Fortynn N-isopropylakrylamid (NIPAM), poly N-isopropylakrylamid (PNIPAM) og fotoinitiatoren (se materialtabell) i DI-vann ved hjelp av en magnetisk omrører i 24 timer.
- Vortex skjærfortynnende middel, laponitt RD nanoclay og fluorescein rhodamin 6G fargestoff ved 1,150 o / min i minst 6 timer til de fortynnes helt.
- Forbered spesifikke vekter av NIPAM-basert hydrogelblekk per totalt 20 ml løsningsbase: 1,692 g NIPAM, 0,02 g pNIPAM, 1,354 g laponitt RD, 0,034 g fotoinitiator, 0,1 mg rhodamin 6G (se materialtabell) og 16,92 g DI-vann.
- Etter fullstendig fortynning, overfør NIPAM-basert hydrogelblekk til en tom 3D-utskriftspatron ved hjelp av en sprøyte.
- Ferrogel blekk (figur 1C)
- Klargjør A-løsningen: Fortynnet akrylamid (AAm) og tverrbinding, N, N'-metylenbisakrylamid (BIS), jernoksid (Fe2O3) og N, N, N', N'-tetrametyletylendiamin (TMEDA) (se materialtabell) i DI-vann.
- Tenk på den spesifikke vektprosenten (vekt%) av materialene: 71% AAm, 3,5% BIS og 25,5% Fe 2 O3 i1,2ml DI-vann med 10 μL TMEDA-akselerator.
- Klargjør B-oppløsningen: Fortynn 0,8 g ammoniumpersulfat (APS, se materialtabell) i 10 ml DI-vann.
- For polymerisering overføres 200 μL av A-løsningen og 5 μL av B-løsningen til et mikrosentrifugerør.
- Vortex mikrosentrifugerøret i 20 s.
2. Optimalisering av myk hybrid griper design
MERK: Den elliptiske myke hybridgriperen består av et AAm-basert hydrogel ytre lag, et NIPAM-basert hydrogel indre lag og et ferrogel øvre lag (figur 1D). Den generelle elliptiske myke hybridgriperen ble opprettet ved hjelp av AutoCAD-programvaren (se Materialtabell).
- Todimensjonal AAm-basert hydrogellagsdesign
- Tegn en elliptisk form med en vertikal akse på 24 mm og en horisontal akse på 20 mm ytterst.
- Tegn en annen elliptisk form med en vertikal akse på 20,8 mm og en horisontal akse på 16,8 mm med samme midtpunkt som figuren tegnet i trinn 2.1.1.
- Tegn en trepunktsbue som går gjennom punktene (−8,24, 2), (0, 6) og (8,24, 2) bort fra ellipsens midtpunkt.
- Trim den lille øvre delen av formørkelsen delt på buen.
- Todimensjonal NIPAM-basert hydrogellagsdesign
- Tegn en oval med en vertikal akse på 20,2 mm og en horisontal akse på 16,4 mm med samme midtpunkt som formen tegnet i trinn 2.1.1.
- Tegn en ellipse med en vertikal akse på 16,16 mm og en horisontal akse på 13,12 mm med samme midtpunkt som formen tegnet i trinn 2.1.1.
- Tegn en trepunktsbue som går gjennom punktene (−7,86, 1,83), (0, 5,6) og (7,86, 1,83) bort fra ellipsens midtpunkt.
- Tegn en trepunktsbue som går gjennom punktene (−5,47, 1,64), (0, 3,18) og (5,47, 1,64) bort fra ellipsens midtpunkt.
- Trimden lille øvre delen av ellipsene delt på buene.
- For å lage en sokkel, tegn en bue med to punkter bort fra midtpunktet ved (−4,75, −2,71) og (4,75, −2,71) som begge endepunkter og ett punkt unna midtpunktet ved (0, -4,59).
- Todimensjonal ferrogellagsdesign
- Tegn en trepunktsbue som går gjennom punktene (−7, 4,92), (0, 9,2) og (7, 4,92) bort fra ellipsens midtpunkt.
- Tegn en trepunktsbue som går gjennom punktene (−7, 4,92), (0, 7,6) og (7, 4,92) bort fra ellipsens midtpunkt.
- Design av todimensjonale griperspisser
- For å lage gripedelen av griperen, kutt 0,8 mm fra hver side fra midtlinjen nederst på ellipsen.
- Tredimensjonal hybrid griper design
- For å gjøre den generelle 2D hybridgriperdesignen til 3D, ekstruder sokkelen til den responsive gelen med 0,8 mm, og ekstruder den ikke-responsive gelen, den kuttede ovalen til den responsive gelen og ferrogelen med 2,5 mm.
3. Tredimensjonal utskrift av den myke hybridgriperen
- Generer en G-kode30 for hver struktur opprettet i trinn 2 ved hjelp av Slic3r-programvare (se materialtabell) med en 0,4 mm laghøyde, en utskriftshastighet på 10 mms-1 og en fyllingstetthet på 75 %. Rediger G-kodefilen ved hjelp av doble skrivehoder.
- Lagre G-kodefilen på et sikkert digitalt (SD) kort, og koble den til 3D-skriveren (se Materialtabell) for å generere utskriftsbanene til den myke griperen.
- Koble en luftpumpetrykkregulering til 3D-skriveren.
- Velg dysespisser med diameter på henholdsvis 0,25 mm og 0,41 mm for NIPAM-basert hydrogel og AAm-basert hydrogel.
- Koble den AAm-baserte hydrogelpatronen til dyse 1 og den NIPAM-baserte hydrogelpatronen til dyse 2.
- Sjekk om de to skrivehodene til patronene er i samme posisjon på z-aksen.
- Kalibrer X- og Y-koordinatene nøyaktig for å unngå feiljusteringer mellom de to dysene.
- Sett trykktrykket til 20-25 KPa for den AAm-baserte hydrogelen og til 10-15 KPa for den NIPAM-baserte hydrogelen.
- Gjenta trinn 3.5–3.8 når hver prøve er fullstendig skrevet ut (figur 2A).
4. UV-fotoherding av den myke hybridgriperen
- Før UV-fotoherding injiserer du det magnetfeltresponsive ferrogelblekket (fremstilt i trinn 1.3) i det målrettede tynnhullsområdet på den 3D-printede myke griperen ved hjelp av en sprøyte.
- Etter injeksjon av ferrogelen, plasser griperstrukturen inne i et UV-kildekammer med en bølgelengde på 365 nm i 6 minutter. Løs intensiteten til UV-lyset ved 4,9 mJ/s.
- Etter UV-fotoherding, overfør griperstrukturen til et DI-vannbad i minst 24 timer til den når en fullstendig hovent likevektstilstand (figur 2B-D).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den NIPAM-baserte hydrogelen ble først og fremst vurdert ved utforming av den termisk responsive myke griperen på grunn av sin skarpe LCST, noe som får den til å vise betydelige hevelsesegenskaper 9,10. I tillegg ble den AAm-baserte hydrogelen ansett som et ikke-stimuli-responsivt system for å maksimere formtransformasjonen til den myke hybridgriperen samtidig som delamineringen av grensesnittet ble redusert under flere oppvarmings- og kjøleprosesser. I tillegg ble ferrogel integrert i dette hybridsystemet for å skape en magnetfeltresponsiv mykhybridgriper for ubegrenset kontroll av magnetfeltdrevet bevegelse. Spesielt må ferrogel-blekkinjeksjonen utføres før polymerisering for å unngå separasjon fra den NIPAM-baserte hydrogelstrukturen.
Aktivering av termisk responsiv åpning og lukking ble primært vurdert for å bestemme den optimale geometrien til hybridgriperen. Innledningsvis ble hevelse og deswelling av NIPAM-baserte og AAm-baserte hydrogeler vurdert ved å måle diameterendringene fra romtemperatur til 60 °C. Basert på denne verifikasjonen av hevelseskraften ble den AAm-baserte hydrogelen plassert i den ytre delen av strukturlaget, og den NIPAM-baserte hydrogelen ble plassert inne i det responsive laget. Dette arbeidet verifiserte gripefunksjonen til flere forskjellige strukturer av hybridgriperen, for eksempel sirkulære og elliptiske geometrier. Spesielt ble en generell elliptisk form med en flat NIPAM-basert plate inni valgt for å øke hevelses-deswelling-kraften slik at enheten kan gripe godt og holde mål trygt uten å slippe dem under pick-and-place-oppgaver. I tillegg ble et symmetrisk halvmåneformet ferrogelområde designet på toppen av den elliptiske strukturen for å integrere den presise magnetisk-responsive bevegelsen til hybridgriperen.
Hybridgriperen ble produsert ved hjelp av en baneorientert additiv 3D-utskriftsmetode (figur 3). Først ble den AAm-baserte hydrogelen trykt på utsiden av griperen som et strukturbærende lag (figur 3A), og deretter ble den NIPAM-baserte hydrogelen trykt i interiøret som et stimuliresponsivt lag (figur 3B). Deretter ble ferrogel injisert i brønnen på toppen av hybridgriperen (figur 3C). For det første trinnet i de to 3D-utskrifts- og injeksjonsprosessene ble de syntetiserte AAm-baserte og NIPAM-baserte hydrogelene forsiktig overført til en tom 3D-patron for ikke å slippe luft inn. Injeksjonen av ferrogelen for å nøyaktig koble til det AAm-baserte strukturelle hydrogellaget måtte utføres nøye for å unngå bobler.
En rekke utskriftsparametere, for eksempel utskriftstrykk, hastighet, dysediameter og blekksammensetning, ble verifisert for å bestemme de optimale 3D-utskriftsforholdene. Vi observerte at blekkets viskoelastiske egenskaper var de viktigste parameterne for å oppnå presise utskrifts- og UV-herdingsprosesser. De viskoelastiske egenskapene bestemmes hovedsakelig av vektforholdet til det rene tynningsmiddelet (f.eks. Laponitt RD). For å identifisere de riktige reologiske egenskapene til blekkløsningene, er det viktig å justere skjærfortynningsmiddelet for presis utskrift og rask størkning etter utskrift og før UV-herdingsprosessen. I tillegg måtte de AAm-baserte og NIPAM-baserte hydrogellagene kobles nøyaktig sammen uten overlapping eller mellomrom mellom dem under 3D-utskriftsprosessen. En liten feiljustering i X-Y-retningene og en forskyvning i Z-retningen under den doble 3D-utskriftsprosessen kan føre til betydelige feil i den endelige strukturen. Hvis det observeres feiljustering, må den forhåndsinnstilte plasseringen av X- og Y-retningene med en forskyvning i Z-retningen i G-koden justeres igjen ved hvert utskriftstrinn til de to skrivehodene er perfekt justert. For å oppnå nøyaktig justerte griperstrukturer uten feil, ble små kubeformede kalibreringsmarkører satt inn i de fire hjørnene for å bevare midten av hver struktur.
Den myke hybridgriperen utførte en pick-and-place-oppgave via termisk responsiv aktivering og magnetisk bevegelse. Innledningsvis ble det observert termisk responsiv aktivering av den myke hybridgriperen. Når temperaturen økte over den lavere kritiske løsningstemperaturen (LCST), krympet den NIPAM-baserte gelen, og griperspissen lukket seg på grunn av hevelsen av den NIPAM-baserte hydrogelen. I motsetning til dette åpnet griperspissen på den myke hybridgriperen når temperaturen sank under LCST, på grunn av hevelsen i den NIPAM-baserte hydrogelen (figur 4A). I tillegg bekreftet vi at inkorporeringen av ferrogel ikke påvirket foldingen av den myke hybridgriperen under temperaturendringer.
En enkel labyrint ved hjelp av en 3D-skriver ble produsert, fylt med DI-vann og plassert på en kokeplate. Den helt hovne myke hybridgriperen ble deretter plassert i startposisjonen til labyrinten i spissåpen tilstand, og lakserogn ble plassert i målområdet. Den myke hybridgriperen ble styrt ved hjelp av en ekstern magnet til den nådde lakserognen. Deretter lukket tuppen på softhybridgriperen seg for å gripe lakserogna når temperaturen nådde 40 °C. Til slutt ble den myke hybridgriperen flyttet ut av labyrinten mens den holdt lakserognen, og den slapp deretter lakserognen på målområdet i spissåpen tilstand ved romtemperatur på 25 °C (figur 4B). Lakserognen opprettholdt formen uten skader under hele pick-and-place-oppgaven. I tillegg ble neodymmagneter brukt til å lede den myke hybridgriperen under magnetisk responsiv bevegelse.
Figur 1: Hydrogelpreparering og myk hybrid griper design . (A) AAm-basert hydrogel. (B) NIPAM-basert hydrogel. (C) Ferrogel blekk. (D) Den myke hybridgriperdesignen laget med AutoCAD- og Slic3r-programvare. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Fabrikasjonsprosess for 3D-printing av mykhybridgriperen . (A) Doble utskriftsmoduser med AAm-basert hydrogel og NIPAM-basert hydrogelblekk. (B) Ferrogel lag. (C) UV-fotoherding. (D) Likevektstilstand i DI-vann. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3. Fabrikasjon av den myke hybridgriperen. (A) Utvendig ikke-stimuli-responsivt Aam-basert hydrogellag. (B) Innvendig stimuli-responsivt NIPAM-basert hydrogellag. (C) Ferrogel lag. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4. Aktivering og bevegelse av den myke hybridgriperen. (A) Termisk responsiv aktivering av den myke hybridgriperen. (B) Demonstrasjon av pick-and-place-oppgaver med mykhybridgriperen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Når det gjelder materialvalg for den myke hybridgriperen, ble et multiresponsivt materialsystem sammensatt av en ikke-stimuli-responsiv AAm-basert hydrogel, en termisk responsiv NIPAM-basert hydrogel og en magnetisk responsiv ferrogel først forberedt for å la den myke hybridgriperen utvise programmerbar bevegelse og formtransformasjon. På grunn av deres termisk responsive hevelses-deswelling egenskaper, utviser NIPAM-baserte hydrogeler bøying, folding eller rynker når de fremstilles som dobbeltlags- eller bi-stripstrukturer med hydrogeler med forskjellige hevelsesegenskaper, for eksempel AAm-baserte hydrogeler1. I tillegg kan hydrogeler utformes for å være magnetisk responsive ved å legge inn jernoksid (Fe2O3) nanopartikler. Det er viktig at denne Fe2O 3-inkorporerte akrylamidbaserte ferrogelen kan spille en viktig rolle i å muliggjøre magnetisk respons for å lette myk robot magnetfeltdrevet bevegelse. Spesielt har magnetisk responsive hydrogeler blitt foreslått å bli brukt i ubundet hydrogelbaserte myke robotsystemer, noe som vil gi mindre invasive tilnærminger i dynamisk rotete miljøer32.
Det er viktig at den myke hybridgriperen krevde god vedheft mellom de tre hydrogelene. Når adhesjonen er dårlig, vil grensesnittet mellom hydrogelene bli delaminert under gjentatt hevelse og deswelling som svar på eksterne utløsere. Spesielt ble akrylamidbaserte hydrogeler introdusert for å sikre god vedheft under gjentatt termisk og magnetisk responsiv manipulering og bevegelse av den myke hybridgriperen. I tillegg ble hevelse og hevelse av termisk responsive NIPAM-baserte og ikke-stimuli-responsive AAm-baserte hydrogeler verifisert for å forutse graden av bøyning av den myke hybridgriperen. Det skal bemerkes at en simuleringsmodell basert på termodynamikkrammen med hydrogelhevelse (f.eks. Flory-Huggins-modellen) og mekanikk (f.eks. Neo-Hookean-modellen) kan hjelpe til med å bestemme omfanget av bøyning som en funksjon av hevelse og temperatur8. Basert på disse eksperimentelle og teoretiske karakteriseringene av griperfoldingen, ble et termisk responsivt NIPAM-basert hydrogellag valgt for den indre delen, og et ikke-stimuli-responsivt AAm-basert hydrogellag ble valgt for den ytre delen for å tillate bøyning av gripespissene inn i midten med økende temperaturer.
Når det gjelder fremstillingen av den myke hybridgriperen, kan vår firedimensjonale (4D) tidsavhengige utskriftsprosess brukes til å skape forskjellige stimuli-responsive myke roboter med et bredt størrelsesområde fra millimeter til centimeter. Nylig har kombinasjonen av 4D-utskrift og stimuli-responsive smarte materialer gitt en ny rute for å utvikle intelligente 3D-strukturer som er formtransformerbare når de blir utsatt for en passende stimuluskilde. Sammen med 4D-utskriftsteknikken ved hjelp av en programmerbar stimuli-responsiv hydrogel, kan forskjellige 3D-utskriftsbaner av stimuli-responsive materialer presentere forskjellige endelige hovne geometrier som viser varierende buede, rullede, brettede eller spiralformede strukturer26. Utviklingen av denne innovative 4D-utskriftsstrategien har tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet på grunn av sin betydelige skalerbarhet og produserbarhet for å skape intelligente stimuli-responsive myke roboter.
Imidlertid krever 4D-utskrift av forskjellige hydrogeler flere utfordringer som skal overvinnes. For det første er responstiden for formforanderlig aktivering av 4D-printede hydrogeler ganske langsom. Ytterligere finjustering av hydrogelsammensetningen integrert med funksjonelle materialer (f.eks. Nanopartikler, lavdimensjonale materialer, flytende krystaller og til og med biologiske DNAer) er nødvendig for å forbedre responstiden. I tillegg må posisjoneringskalibreringen av Z-retningen og justeringen av X-Y-retningene dobbeltkontrolleres på hvert trinn under den doble utskriftsprosessen. For å få en kontinuerlig utskriftsprosess uten feiljustering, må de forhåndsinnstilte verdiene i X-, Y- og Z-retningene i G-kodefilene dobbeltkontrolleres og gjentas flere ganger til skrivehodene er perfekt justert.
Fra et applikasjonsperspektiv introduserer denne artikkelen termisk og magnetisk responsive myke hybridgripere som aktivt utfører pick-and-place-oppgaver. Den sekvensielle prosessen med å trygt gripe og sikkert holde et objekt er kritisk i myk robotikk. Den stimuli-responsive myke griperen har vist muligheten for å utvikle et intelligent manipulerende system som kan gripe og frigjøre gjenstander nøyaktig på en mindre invasiv eller ikke-invasiv måte i henhold til den eksterne stimuli on-off-prosessen32. Mer nylig, for å oppnå den automatiserte bevegelsen til en myk griper for nøyaktige pick-and-place-oppgaver, har ultralydbilde-tilbakemeldingskoblede gradientmagnetfeltsystemer blitt utviklet parallelt33. Selv om den fortsatt er på konseptuelt nivå, forventer vi at denne spesifikke protokollen for 4D-utskrift av en myk stimuli-responsiv hybridgriper vil gi grunnlag for ytterligere betydelige fremskritt i utviklingen av nøyaktig kontrollerbare, høysensitive og multifunksjonelle smarte stimuli-responsive myke roboter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne oppgir ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Forfatterne anerkjenner takknemlig støtte fra National Research Foundation of Korea (NRF) stipend finansiert av den koreanske regjeringen (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).
