Summary
Эта рукопись описывает стратегию 4D-печати для изготовления интеллектуальных мягких роботов, реагирующих на стимулы. Этот подход может обеспечить основу для облегчения реализации интеллектуальных формотрансформируемых мягких роботизированных систем, включая интеллектуальные манипуляторы, электронику и системы здравоохранения.
Abstract
Настоящий протокол описывает создание четырехмерных (4D), зависящих от времени, изменяющих форму, реагирующих на стимулы мягких роботов с использованием трехмерного (3D) метода биопечати. В последнее время методы 4D-печати широко предлагаются в качестве инновационных новых методов разработки формообразуемых мягких роботов. В частности, 4D-трансформация формы, зависящая от времени, является важным фактором в мягкой робототехнике, поскольку она позволяет выполнять эффективные функции в нужное время и в нужном месте, когда они запускаются внешними сигналами, такими как тепло, рН и свет. В соответствии с этой перспективой материалы, реагирующие на стимулы, включая гидрогели, полимеры и гибриды, могут быть напечатаны для реализации интеллектуальных формообразуемых мягких роботизированных систем. Текущий протокол может быть использован для изготовления термочувствительных мягких захватов, состоящих из гидрогелей на основе N-изопропилакриламида (NIPAM), с общими размерами от миллиметров до сантиметров в длину. Ожидается, что это исследование предоставит новые направления для реализации интеллектуальных мягких роботизированных систем для различных применений в интеллектуальных манипуляторах (например, захваты, приводы и машины для подбора и размещения), системах здравоохранения (например, капсулы с лекарствами, инструменты для биопсии и микрохирургии) и электронике (например, носимые датчики и флюидики).
Introduction
Разработка чувствительных к стимулам мягких роботов важна как с технической, так и с интеллектуальной точек зрения. Термин чувствительные к стимулам мягкие роботы обычно относится к устройствам / системам, состоящим из гидрогелей, полимеров, эластомеров или гибридов, которые демонстрируют изменения формы в ответ на внешние сигналы, такие как тепло, рН и свет 1,2,3,4. Среди множества реагирующих на стимулы мягких роботов мягкие роботы на основе гидрогеля N-изопропилакриламида (NIPAM) выполняют желаемые задачи или взаимодействия с использованием спонтанного преобразования формы 5,6,7,8. Как правило, гидрогели на основе NIPAM демонстрируют низкую критическую температуру раствора (LCST), а изменения свойств набухания (гидрофильность ниже LCST) и набухания (гидрофобность выше LCST) происходят внутри гидрогелевой системы вблизи физиологических температур между 32 ° C и 36 ° C 9,10. Этот обратимый механизм набухания-набухания вблизи резкой критической точки перехода LCST может генерировать преобразование формы мягких гидрогелевых роботов на основе NIPAM2. В результате термочувствительные гидрогелевые мягкие роботы на основе NIPAM имеют улучшенные операции, такие как ходьба, захват, ползание и зондирование, которые важны в многофункциональных манипуляторах, системах здравоохранения и интеллектуальных датчиках 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
При изготовлении чувствительных к стимулам мягких роботов широко используются подходы трехмерной (3D) печати с использованием прямого послойного аддитивного процесса22. Различные материалы, такие как пластмассы и мягкие гидрогели, могут быть напечатаны с помощью 3D-печати23,24. В последнее время 4D-печать широко освещается как инновационная техника для создания программируемых мягких роботов 25,26,27,28. Эта 4D-печать основана на 3D-печати, и ключевой характеристикой 4D-печати является то, что 3D-структуры могут менять свои формы и свойства с течением времени. Сочетание 4D-печати и гидрогелей, реагирующих на стимулы, обеспечило еще один инновационный путь для создания интеллектуальных 3D-устройств, которые со временем меняют форму при воздействии соответствующих внешних триггеров стимулов, таких как тепло, рН, свет, магнитные и электрические поля 25,26,27,28 . Разработка этой техники 4D-печати с использованием разнообразных реагирующих на стимулы гидрогелей предоставила возможность для появления формотрансформируемых мягких роботов, которые демонстрируют многофункциональность с улучшенными скоростями отклика и чувствительностью обратной связи.
Это исследование описывает создание термочувствительного мягкого захвата на основе 3D-печати, который отображает трансформацию формы и передвижение. Примечательно, что конкретная описанная процедура может быть использована для изготовления различных многофункциональных мягких роботов с общими размерами от миллиметра до сантиметра. Наконец, ожидается, что этот протокол может быть применен в нескольких областях, включая мягких роботов (например, интеллектуальные приводы и роботы для передвижения), гибкую электронику (например, оптоэлектрические датчики и лабораторию на чипе) и системы здравоохранения (например, капсулы для доставки лекарств, инструменты для биопсии и хирургические устройства).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Чувствительный к стимулам мягкий захват состоял из трех различных типов гидрогелей: гидрогель на основе акриламида (AAm) без стимуляции, гидрогель на основе термочувствительного N-изопропилакриламида (NIPAM) и магнитный феррогель (рисунок 1). Три гидрогелевые чернила были получены путем модификации ранее опубликованных методов 29,30,31. Данные, представленные в данном исследовании, доступны по запросу соответствующего автора.
1. Приготовление гидрогелевых чернил
- Не реагирующие на стимулы гидрогелевые чернила на основе AAm (рисунок 1A)
- Разбавляют акриламид (AAm), сшивающий N, N'-метиленбисакриламид (BIS) (см. Таблицу материалов) и фотоинициатор 2-гидрокси-4'-(2-гидроксиэтокси)-2-метилпропиофенон (см. Таблицу материалов) в дистиллированной (DI) воде с помощью магнитной мешалки в течение 24 ч.
- Вихрь разбавляющий сдвиг, лапонитовый наноклав RD и флуоресцеиновый O-метакрилатный краситель (см. Таблицу материалов) при 1,150 об/мин в течение не менее 6 ч до полного разбавления.
- Приготовьте удельный вес чернил гидрогеля на основе AAm на общие 20 мл основания раствора: 1,576 г AAm, 0,332 г BIS, 1,328 г лаполита RD, 0,166 г фотоинициатора, 0,1 мг NaOH, 0,1 мг флуоресцеина O-метакрилата (см. Таблицу материалов) и 16,594 г воды DI.
- После полного разбавления переложите гидрогелевые чернила на основе AAm в пустой картридж для 3D-печати (см. Таблицу материалов) с помощью шприца.
- Реагирующие на стимулы гидрогелевые чернила на основе NIPAM (рисунок 1B)
- Разбавляйте N-изопропилакриламид (NIPAM), поли-N-изопропилакриламид (PNIPAM) и фотоинициатор (см. Таблицу материалов) в воде DI с помощью магнитной мешалки в течение 24 ч.
- Вихревой режущий агент, лапонитовый RD наноклей и флуоресцеин родамин 6G краситель при 1 150 об/мин в течение не менее 6 ч до полного разбавления.
- Приготовьте удельный вес гидрогелевых чернил на основе НИПАМ на общую сумму 20 мл основания раствора: 1,692 г НИПАМ, 0,02 г пНИПАМ, 1,354 г лапонита РД, 0,034 г фотоинициатора, 0,1 мг родамина 6 Г (см. Таблицу материалов) и 16,92 г воды DI.
- После полного разбавления переложите гидрогелевые чернила на основе NIPAM в пустой картридж для 3D-печати с помощью шприца.
- Феррогельные чернила (рисунок 1С)
- Приготовьте А-раствор: разбавленный акриламид (AAm) и сшивающий, N, N'-метиленбисакламид (BIS), оксид железа (Fe2O3) и N, N, N', N'-тетраметилэтилендиамин (TMEDA) (см. Таблицу материалов) в воде DI.
- Рассмотрим удельный весовой процент (мас.%) материалов: 71% AAm, 3,5% BIS и 25,5% Fe2O3 в 1,2 мл воды DI с 10 мкл ускорителя TMEDA.
- Приготовьте B-раствор: Разбавьте 0,8 г персульфата аммония (APS, см. Таблицу материалов) в 10 мл воды DI.
- Для полимеризации перенесут 200 мкл А-раствора и 5 мкл В-раствора в микроцентрифужную трубку.
- Вихрь микроцентрифужной трубки в течение 20 с.
2. Оптимизация конструкции мягкого гибридного захвата
ПРИМЕЧАНИЕ: Эллиптический мягкий гибридный захват состоит из наружного слоя гидрогеля на основе AAm, внутреннего слоя гидрогеля на основе NIPAM и верхнего слоя феррогеля (рисунок 1D). Общий эллиптический мягкий гибридный захват был создан с использованием программного обеспечения AutoCAD (см. Таблицу материалов).
- Двумерная конструкция гидрогелевого слоя на основе AAm
- Нарисуйте эллиптическую форму с вертикальной осью 24 мм и горизонтальной осью 20 мм в самой внешней части.
- Нарисуйте другую эллиптическую фигуру с вертикальной осью 20,8 мм и горизонтальной осью 16,8 мм с той же центральной точкой, что и фигура, нарисованная на шаге 2.1.1.
- Нарисуйте трехточечную дугу, проходящую через точки (−8.24, 2), (0, 6) и (8.24, 2) от центральной точки эллипса.
- Обрежьте небольшую верхнюю часть затмения, разделенную дугой.
- Двумерная конструкция гидрогелевого слоя на основе NIPAM
- Нарисуйте овал с вертикальной осью 20,2 мм и горизонтальной осью 16,4 мм с той же центральной точкой, что и фигура, нарисованная на шаге 2.1.1.
- Нарисуйте эллипс с вертикальной осью 16,16 мм и горизонтальной осью 13,12 мм с той же центральной точкой, что и фигура, нарисованная на шаге 2.1.1.
- Нарисуйте трехточечную дугу, проходящую через точки (−7,86, 1,83), (0, 5,6) и (7,86, 1,83) от центральной точки эллипса.
- Нарисуйте трехточечную дугу, проходящую через точки (−5.47, 1.64), (0, 3.18) и (5.47, 1.64) от центральной точки эллипса.
- Обрезают небольшую верхнюю часть эллипсов, разделенные дугами.
- Чтобы сделать пьедестал, нарисуйте дугу с двумя точками от центральной точки (−4,75, −2,71) и (4,75, −2,71) в качестве конечных точек и в одной точке от центральной точки (0, -4,59).
- Двухмерная конструкция феррогелевого слоя
- Нарисуйте трехточечную дугу, проходящую через точки (−7, 4,92), (0, 9,2) и (7, 4,92) от центральной точки эллипса.
- Нарисуйте трехточечную дугу, проходящую через точки (−7, 4,92), (0, 7,6) и (7, 4,92) от центральной точки эллипса.
- Двухмерная конструкция наконечников захвата
- Чтобы сделать захватную часть захвата, вырежьте по 0,8 мм с каждой стороны от осевой линии в нижней части эллипса.
- Трехмерная гибридная конструкция захвата
- Чтобы превратить общую конструкцию гибридного захвата 2D в 3D, выдавите пьедестал отзывчивого геля на 0,8 мм и выдавите неотзывчивый гель, вырезанный овал отзывчивого геля и феррогель на 2,5 мм.
3. Трехмерная печать мягкого гибридного захвата
- Сгенерируйте G-код30 для каждой структуры, созданной на шаге 2, с помощью программного обеспечения Slic3r (см. Таблицу материалов) с высотой слоя 0,4 мм, скоростью печати 10 мм-1 и плотностью заполнения 75%. Отредактируйте файл G-кода с помощью двух печатающих головок.
- Сохраните файл G-кода на защищенной цифровой (SD) карте и подключите его к 3D-принтеру (см. Таблицу материалов), чтобы сгенерировать пути печати мягкого захвата.
- Подключите регулятор давления воздушного насоса к 3D-принтеру.
- Выбирайте наконечники сопел диаметром 0,25 мм и 0,41 мм для гидрогеля на основе NIPAM и гидрогеля на основе AAm соответственно.
- Подключите гидрогелевой картридж на основе AAm к соплу 1 и гидрогелевой картридж на основе NIPAM к соплу 2.
- Проверьте, находятся ли две печатающие головки картриджей в одном и том же положении на оси Z.
- Точно откалибруйте координаты X и Y, чтобы избежать перекосов между двумя соплами.
- Установите печатное давление на уровне 20-25 кПа для гидрогеля на основе AAm и на уровне 10-15 кПа для гидрогеля на основе NIPAM.
- Повторите шаги 3.5-3.8, когда каждый образец будет полностью напечатан (рисунок 2A).
4. УФ-фотоотверждение мягкого гибридного захвата
- Перед УФ-фотоотверждением введите феррогелевые чернила, реагирующие на магнитное поле (подготовленные на этапе 1.3), в целевую область тонкого отверстия 3D-печатного мягкого захвата с помощью шприца.
- После инъекции феррогеля поместите захватную структуру внутрь камеры источника ультрафиолета с длиной волны 365 нм в течение 6 мин. Зафиксируйте интенсивность ультрафиолетового излучения на уровне 4,9 мДж/с.
- После УФ-фотоотверждения перенесите структуру захвата на водяную баню DI в течение не менее 24 ч, пока она не достигнет полностью набухшего равновесного состояния (рисунок 2B-D).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Гидрогель на основе NIPAM был в первую очередь рассмотрен при разработке термочувствительного мягкого захвата из-за его острого LCST, который заставляет его проявлять значительные набухающие свойства 9,10. Кроме того, гидрогель на основе AAm рассматривался как система, не реагирующая на стимулы, для максимизации преобразования формы мягкого гибридного захвата при одновременном снижении расслоения интерфейса во время нескольких процессов нагрева и охлаждения. Кроме того, феррогель был интегрирован в эту гибридную систему для создания мягкого гибридного захвата, реагирующего на магнитное поле, для неограниченного управления локомоцией, управляемой магнитным полем. В частности, инъекция феррогельных чернил должна быть проведена перед полимеризацией, чтобы избежать отделения от гидрогелевой структуры на основе NIPAM.
Приведение в действие термочувствительного открытия и закрытия в первую очередь рассматривалось для определения оптимальной геометрии гибридного захвата. Первоначально набухание и располнение гидрогелей на основе NIPAM и AAm оценивали путем измерения изменений диаметра от комнатной температуры до 60 °C. Основываясь на этой проверке мощности набухания, гидрогель на основе AAm был помещен во внешнюю часть структурного слоя, а гидрогель на основе NIPAM был помещен внутрь отзывчивого слоя. Эта работа проверила захватную функцию нескольких различных структур гибридного захвата, таких как круговая и эллиптическая геометрия. В частности, общая эллиптическая форма с плоской пластиной на основе NIPAM внутри была выбрана для увеличения мощности набухания, чтобы позволить устройству хорошо захватывать и безопасно удерживать цели, не роняя их во время задач подбора и размещения. Кроме того, симметричная феррогелевая область в форме полумесяца была спроектирована поверх эллиптической структуры для интеграции точного магнитно-чувствительного локомоции гибридного захвата.
Гибридный захват был изготовлен с использованием ориентированного на путь метода аддитивной 3D-печати (рисунок 3). Сначала гидрогель на основе AAm был напечатан на внешней стороне захвата в качестве структурно-поддерживающего слоя (рисунок 3A), а затем гидрогель на основе NIPAM был напечатан в интерьере в виде слоя, реагирующего на стимулы (рисунок 3B). Впоследствии феррогель вводили в скважину в верхней части гибридного захвата (рисунок 3С). На первом этапе двойной 3D-печати и инжекционных процессов синтезированные гидрогели на основе AAm и NIPAM были аккуратно перенесены в пустой 3D-картридж, чтобы не пропускать воздух внутрь. Инъекция феррогеля для точного соединения со структурным гидрогелевым слоем на основе AAm должна была быть тщательно проведена, чтобы избежать пузырьков.
Различные параметры печати, такие как давление печати, скорость, диаметр сопла и состав чернил, были проверены для определения оптимальных условий 3D-печати. Мы заметили, что вязкоупругие свойства чернил являются наиболее важными параметрами для получения точных процессов печати и УФ-отверждения. Вязкоупругие свойства в основном определяются весовым соотношением чистого разбавляющего агента (например, лапонита RD). Чтобы определить соответствующие реологические особенности растворов чернил, необходимо отрегулировать разбавляющий агент сдвига для точной печати и быстрого затвердевания после печати и перед процессом УФ-отверждения. Кроме того, гидрогелевые слои на основе AAm и NIPAM должны были быть точно соединены без перекрытия или зазоров между ними во время процесса 3D-печати. Небольшой перекос в направлениях X-Y и смещение в направлении Z во время процесса двойной 3D-печати могут привести к значительным ошибкам в конечной структуре. Если наблюдается какое-либо смещение, предустановленное позиционирование направлений X и Y со смещением в направлении Z в G-коде должно быть выровнено снова на каждом этапе печати до тех пор, пока двойные печатающие головки не будут идеально выровнены. Чтобы добиться точного выравнивания захватных конструкций без ошибок, небольшие кубообразные калибровочные маркеры были вставлены в четыре угла, чтобы сохранить центр каждой конструкции.
Мягкий гибридный захват выполнял задачу подбора и размещения с помощью термочувствительного привода и магнитного локомоции. Первоначально наблюдалось термочувствительное срабатывание мягкого гибридного захвата. Когда температура повышалась выше более низкой критической температуры раствора (LCST), гель на основе NIPAM уменьшался, а наконечник захвата закрывался из-за разгрузки гидрогеля на основе NIPAM. Напротив, кончик захвата мягкого гибридного захвата открывался, когда температура снижалась ниже LCST, из-за набухания гидрогеля на основе NIPAM (рисунок 4A). Кроме того, мы проверили, что включение феррогеля не повлияло на складывание мягкого гибридного захвата во время перепадов температур.
Простой лабиринт с помощью 3D-принтера был изготовлен, заполнен водой DI и помещен на конфорку. Затем полностью набухший мягкий гибридный захват был помещен в исходное положение лабиринта в открытом состоянии, а икра лосося была помещена в целевую область. Мягкий гибридный захват направлялся с помощью внешнего магнита, пока не достиг икры лосося. Затем кончик мягкого гибридного захвата закрылся, чтобы схватить икру лосося, когда температура достигла 40 °C. Наконец, мягкий гибридный захват был перемещен из лабиринта, удерживая икру лосося, а затем он выпустил икру лосося в целевой области в открытом состоянии при комнатной температуре 25 ° C (рисунок 4B). Икра лосося сохраняла свою форму без каких-либо повреждений в течение всей задачи по сбору и месту. Кроме того, неодимовые магниты использовались для управления мягким гибридным захватом во время магнитно-чувствительной локомоции.
Рисунок 1: Получение гидрогеля и мягкая гибридная конструкция захвата. (A) Гидрогель на основе AAm. (B) Гидрогель на основе НИПАМ. (C) Феррогельные чернила. (D) Мягкий гибридный захват, выполненный с использованием программного обеспечения AutoCAD и Slic3r. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Процесс изготовления для 3D-печати мягкого гибридного захвата. (A) Двойные режимы печати с гидрогелем на основе AAm и гидрогелевыми чернилами на основе NIPAM. (B) Феррогелевой слой. (C) УФ-фотоотверждение. (D) Равновесное состояние в воде DI. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3. Изготовление мягкого гибридного захвата. (A) Наружный нечувствительный к стимулам гидрогельный слой на основе Aam. (B) Гидрогельный слой на основе НИПАМ, реагирующий на внутренние раздражители. (C) Феррогелевой слой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4. Приведение в действие и локомоция мягкого гибридного захвата. (A) Термочувствительное приведение в действие мягкого гибридного захвата. (B) Демонстрация задач по подбору и размещению с помощью мягкого гибридного захвата. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Что касается выбора материала для мягкого гибридного захвата, впервые была подготовлена многочувствительная система материалов, состоящая из гидрогеля на основе AAm, не реагирующего на стимулы, термочувствительного гидрогеля на основе NIPAM и магнитно-чувствительного феррогеля, чтобы позволить мягкому гибридному захвату демонстрировать программируемую локомоцию и трансформацию формы. Благодаря своим термически реагирующим на набухательным свойствам гидрогели на основе NIPAM проявляют изгиб, складывание или сморщивание при изготовлении в виде двухслойных или двухполосных структур с гидрогелями с различными свойствами набухания, такими как гидрогели на основе AAm1. Кроме того, гидрогели могут быть спроектированы так, чтобы быть магнитно реагирующими путем встраивания наночастиц оксида железа (Fe2O3). Важно отметить, что этот феррогель на основе акриламида Fe2O3 может играть важную роль в обеспечении магнитной реакции для облегчения передвижения мягкого робота, управляемого магнитным полем. В частности, было предложено использовать в непривязанных мягких роботизированных системах на основе гидрогеля, которые обеспечат менее инвазивные подходы в динамически загроможденных средах32.
Важно отметить, что мягкий гибридный захват требовал хорошей адгезии между тремя гидрогелями. Когда адгезия плохая, граница раздела между гидрогелями будет расслоена во время повторного набухания и опухания в ответ на внешние триггеры. В частности, гидрогели на основе акриламида были введены для обеспечения хорошей адгезии при многократных термически и магнитно-чувствительных манипуляциях и локомоции мягкого гибридного захвата. Кроме того, было проверено набухание и опухание термочувствительных гидрогелей на основе NIPAM и не реагирующих на стимулы AAm, чтобы предвидеть степень изгиба мягкого гибридного захвата. Следует отметить, что имитационная модель, основанная на термодинамической структуре с набуханием гидрогеля (например, модель Флори-Хаггинса) и механикой (например, модель Нео-Гуккова), может помочь в определении степени изгиба в зависимости от набухания и температуры8. Основываясь на этих экспериментальных и теоретических характеристиках складывания захвата, для внутренней части был выбран термочувствительный слой гидрогеля на основе NIPAM, а для внешней части был выбран не реагирующий на стимулы гидрогельный слой на основе AAm, чтобы обеспечить изгиб захватывающих наконечников в центр с повышением температуры.
С точки зрения изготовления мягкого гибридного захвата, наш четырехмерный (4D) процесс печати, зависящий от времени, может быть использован для создания разнообразных чувствительных к стимулам мягких роботов с широким диапазоном размеров от миллиметров до сантиметров. В последнее время сочетание 4D-печати и интеллектуальных материалов, реагирующих на стимулы, обеспечило новый путь для разработки интеллектуальных 3D-структур, которые преобразуются в форму при воздействии соответствующего источника стимулов. Наряду с техникой 4D-печати с использованием программируемого гидрогеля, реагирующего на стимулы, различные пути 3D-печати материалов, реагирующих на стимулы, могут представлять различные конечные набухшие геометрии, которые отображают различные изогнутые, свернутые, сложенные или спиральные структуры26. Разработка этой инновационной стратегии 4D-печати привлекла значительное внимание благодаря своей значительной масштабируемости и технологичности для создания интеллектуальных чувствительных к стимулам мягких роботов.
Тем не менее, 4D-печать различных гидрогелей требует нескольких проблем, которые необходимо преодолеть. Во-первых, время отклика для изменяющего форму срабатывания 4D-печатных гидрогелей довольно медленное. Для улучшения времени отклика необходима дальнейшая тонкая настройка состава гидрогеля, интегрированного с функциональными материалами (например, наночастицами, низкоразмерными материалами, жидкими кристаллами и даже биологическими ДНК). Кроме того, калибровка позиционирования направления Z и выравнивание направлений X-Y должны быть дважды проверены на каждом этапе процесса двойной печати. Чтобы получить непрерывный процесс печати без какого-либо перекоса, предустановленные значения в направлениях X, Y и Z в файлах G-кода должны быть перепроверены и повторены несколько раз, пока печатающие головки не будут идеально выровнены.
С точки зрения применения в этом документе представлены термо- и магнитно-чувствительные мягкие гибридные захваты, которые активно выполняют задачи подбора и размещения. Последовательный процесс безопасного захвата и надежного удержания объекта имеет решающее значение в мягкой робототехнике. Чувствительный к стимулам мягкий захват показал возможность разработки интеллектуальной системы манипулирования, которая может захватывать и отпускать объекты точно менее инвазивным или неинвазивным способом в соответствии с процессом включения-выключения внешних стимулов32. Совсем недавно, для достижения автоматизированного перемещения мягкого захвата для точных задач подбора и размещения, параллельно были разработаны системы градиентного магнитного поля с обратной связью ультразвукового изображения. Несмотря на то, что он все еще находится на концептуальном уровне, мы ожидаем, что этот конкретный протокол для 4D-печати мягкого гибридного захвата, реагирующего на стимулы, обеспечит основу для дальнейших значительных достижений в разработке точно управляемых, высокочувствительных и многофункциональных интеллектуальных мягких роботов, реагирующих на стимулы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Acknowledgments
Авторы с благодарностью отмечают поддержку гранта Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемого корейским правительством (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).
