Summary
Detta manuskript beskriver en 4D-utskriftsstrategi för tillverkning av intelligenta stimuli-responsiva mjuka robotar. Detta tillvägagångssätt kan ge grunden för att underlätta förverkligandet av intelligenta formtransformerbara mjuka robotsystem, inklusive smarta manipulatorer, elektronik och sjukvårdssystem.
Abstract
Detta protokoll beskriver skapandet av fyrdimensionella (4D), tidsberoende, formförändrade, stimuliresponsiva mjuka robotar med hjälp av en tredimensionell (3D) bioutskriftsmetod. Nyligen har 4D-utskriftstekniker föreslagits i stor utsträckning som innovativa nya metoder för att utveckla formtransformerbara mjuka robotar. I synnerhet är 4D-tidsberoende formtransformation en viktig faktor i mjuk robotik eftersom den gör att effektiva funktioner kan uppstå vid rätt tidpunkt och plats när de utlöses av externa signaler, såsom värme, pH och ljus. I linje med detta perspektiv kan stimuliresponsiva material, inklusive hydrogeler, polymerer och hybrider, skrivas ut för att förverkliga smarta formtransformerbara mjuka robotsystem. Det nuvarande protokollet kan användas för att tillverka termiskt responsiva mjuka gripdon som består av N-isopropylakrylamid (NIPAM) -baserade hydrogeler, med totala storlekar från millimeter till centimeter i längd. Det förväntas att denna studie kommer att ge nya riktningar för att förverkliga intelligenta mjuka robotsystem för olika applikationer i smarta manipulatorer (t.ex. gripdon, ställdon och pick-and-place-maskiner), sjukvårdssystem (t.ex. läkemedelskapslar, biopsiverktyg och mikrokirurgier) och elektronik (t.ex. bärbara sensorer och fluidik).
Introduction
Utvecklingen av stimuliresponsiva mjuka robotar är viktig ur både tekniska och intellektuella perspektiv. Termen stimuli-responsiva mjuka robotar avser i allmänhet enheter / system som består av hydrogeler, polymerer, elastomerer eller hybrider som uppvisar formförändringar som svar på yttre signaler, såsom värme, pH och ljus 1,2,3,4. Bland de många stimuli-responsiva mjuka robotarna utför N-isopropylakrylamid (NIPAM) hydrogelbaserade mjuka robotar de önskade uppgifterna eller interaktionerna med hjälp av spontan formtransformation 5,6,7,8. I allmänhet uppvisar de NIPAM-baserade hydrogelerna en låg kritisk lösningstemperatur (LCST), och svullnad (hydrofilicitet under LCST) och avsvällande (hydrofobicitet över LCST) egenskapsförändringar inträffar inuti hydrogelsystemet nära fysiologiska temperaturer mellan 32 ° C och 36 ° C 9,10. Denna reversibla svullnad-avsvällningsmekanism nära den skarpa kritiska övergångspunkten för LCST kan generera formomvandlingen av NIPAM-baserade hydrogelmjuka robotar2. Som ett resultat har termiskt lyhörda NIPAM-baserade hydrogelmjuka robotar förbättrat operationer, såsom promenader, grepp, krypning och avkänning, vilket är viktigt i multifunktionella manipulatorer, sjukvårdssystem och smarta sensorer 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Vid tillverkning av stimuli-responsiva mjuka robotar har tredimensionella (3D) utskriftsmetoder använts i stor utsträckning med hjälp av en direkt lager-för-lager-additiv process22. En mängd olika material, som plast och mjuka hydrogeler, kan skrivas ut med 3D-utskrift23,24. Nyligen har 4D-utskrift lyfts fram som en innovativ teknik för att skapa formprogrammerbara mjuka robotar25,26,27,28. Denna 4D-utskrift är baserad på 3D-utskrift, och det viktigaste kännetecknet för 4D-utskrift är att 3D-strukturerna kan ändra sina former och egenskaper över tiden. Kombinationen av 4D-utskrift och stimuli-responsiva hydrogeler har gett en annan innovativ väg för att skapa smarta 3D-enheter som ändrar form över tid när de utsätts för lämpliga externa stimulansutlösare, såsom värme, pH, ljus och magnetiska och elektriska fält25,26,27,28 . Utvecklingen av denna 4D-utskriftsteknik med olika stimuli-responsiva hydrogeler har gett en möjlighet för framväxten av formtransformerbara mjuka robotar som visar multifunktionalitet med förbättrade svarshastigheter och återkopplingskänslighet.
Denna studie beskriver skapandet av en 3D-utskriftsdriven termiskt responsiv mjuk gripare som visar formtransformation och rörelse. I synnerhet kan den specifika proceduren som beskrivs användas för att tillverka olika multifunktionella mjuka robotar med övergripande storlekar som sträcker sig från millimeter till centimeterlängdsskalor. Slutligen förväntas detta protokoll kunna tillämpas inom flera områden, inklusive mjuka robotar (t.ex. smarta ställdon och rörelserobotar), flexibel elektronik (t.ex. optoelektriska sensorer och lab-on-a-chip) och sjukvårdssystem (t.ex. läkemedelsleveranskapslar, biopsiverktyg och kirurgiska apparater).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Den stimuliresponsiva mjuka griparen bestod av tre olika typer av hydrogeler: icke-stimuliresponsiv akrylamid (AAm)-baserad hydrogel, termiskt responsiv N-isopropylakrylamid (NIPAM)-baserad hydrogel och magnetisk responsiv ferrogel (figur 1). De tre hydrogelbläcken framställdes genom att modifiera tidigare publicerade metoder 29,30,31. De data som presenteras i denna studie är tillgängliga på begäran från motsvarande författare.
1. Beredning av hydrogelfärger
- Icke-stimuliresponsiva AAm-baserade hydrogelfärger (figur 1A)
- Späd akrylamiden (AAm), tvärbindaren N, N'-metylenbisakrylamid (BIS) (se materialförteckning) och fotoinitiatorn 2-hydroxi-4'-(2-hydroxietoxi)-2-metylpropiofenon (se materialförteckning) i destillerat (DI) vatten med hjälp av en magnetomrörare i 24 timmar.
- Virvel skjuvförtunnande medel, laponit RD nanoclay och fluorescein O-metakrylatfärgämne (se materialtabell) vid 1 150 rpm i minst 6 timmar tills de är helt utspädda.
- Förbered specifika vikter av AAm-baserat hydrogelbläck per totalt 20 ml lösningsbas: 1,576 g AAm, 0,332 g BIS, 1,328 g laponit RD, 0,166 g fotoinitiator, 0,1 mg NaOH, 0,1 mg fluorescein O-metakrylat (se materialförteckning) och 16,594 g DI-vatten.
- Efter total utspädning, överför det AAm-baserade hydrogelbläcket till en tom 3D-skrivarkassett (se materialförteckning) med hjälp av en spruta.
- Stimuliresponsiva NIPAM-baserade hydrogelfärger (figur 1B)
- Späd N-isopropylakrylamid (NIPAM), poly N-isopropylakrylamid (PNIPAM) och fotoinitiatorn (se materialförteckning) i DI-vatten med hjälp av en magnetomrörare i 24 timmar.
- Vortex skjuvförtunnande medel, laponit RD nanoclay och fluorescein rhodamin 6G färgämne vid 1,150 rpm i minst 6 h tills de är helt utspädda.
- Förbered specifika vikter av NIPAM-baserat hydrogelbläck per totalt 20 ml lösningsbas: 1,692 g NIPAM, 0,02 g pNIPAM, 1,354 g laponit RD, 0,034 g fotoinitiator, 0,1 mg rhodamin 6G (se materialtabell) och 16,92 g DI-vatten.
- Efter fullständig utspädning, överför det NIPAM-baserade hydrogelbläcket till en tom 3D-utskriftspatron med en spruta.
- Ferrogelfärger (bild 1C)
- Bered A-lösningen: Späd akrylamid (AAm) och tvärbindare, N, N'-metylenbisakryamid (BIS), järnoxid (Fe2O3) och N, N, N', N'-tetrametyletylendiamin (TMEDA) (se materialförteckning) i DI-vatten.
- Tänk på materialets specifika viktprocent (vikt%) : 71% AAm, 3,5% BIS och 25,5% Fe2O3 i1,2 ml DI-vatten med 10 μL TMEDA-accelerator.
- Bered B-lösningen: Späd 0,8 g ammoniumpersulfat (APS, se materialförteckning) i 10 ml DI-vatten.
- För polymerisation, överför 200 μL av A-lösningen och 5 μL av B-lösningen till ett mikrocentrifugrör.
- Vortex mikrocentrifugröret i 20 s.
2. Optimering av soft hybrid gripper-designen
OBS: Den elliptiska mjuka hybridgriparen består av ett AAm-baserat hydrogel yttre skikt, ett NIPAM-baserat hydrogelinre skikt och ett ferrogelövre lager (figur 1D). Den övergripande elliptiska mjuka hybridgriparen skapades med hjälp av AutoCAD-programvaran (se materialförteckningen).
- Tvådimensionell AAm-baserad hydrogelskiktsdesign
- Rita en elliptisk form med en vertikal axel på 24 mm och en horisontell axel på 20 mm vid den yttersta delen.
- Rita en annan elliptisk form med en vertikal axel på 20,8 mm och en horisontell axel på 16,8 mm med samma mittpunkt som den form som ritades i steg 2.1.1.
- Rita en trepunktsbåge som passerar genom punkterna (−8,24, 2), (0, 6) och (8,24, 2) bort från ellipsens mittpunkt.
- Trimma den lilla övre delen av förmörkelsen dividerad med bågen.
- Tvådimensionell NIPAM-baserad hydrogellagerdesign
- Rita en oval med en vertikal axel på 20,2 mm och en horisontell axel på 16,4 mm med samma mittpunkt som den form som ritades i steg 2.1.1.
- Rita en ellips med en vertikal axel på 16,16 mm och en horisontell axel på 13,12 mm med samma mittpunkt som den form som ritades i steg 2.1.1.
- Rita en trepunktsbåge som passerar genom punkterna (−7,86, 1,83), (0, 5,6) och (7,86, 1,83) bort från ellipsens mittpunkt.
- Rita en trepunktsbåge som passerar genom punkterna (−5,47, 1,64), (0, 3,18) och (5,47, 1,64) bort från ellipsens mittpunkt.
- Trimden lilla övre delen av ellipserna dividerad med bågarna.
- För att göra en piedestal, rita en båge med två punkter bort från mittpunkten vid (−4,75, −2,71) och (4,75, −2,71) som båda ändpunkterna och en punkt bort från mittpunkten vid (0, -4,59).
- Tvådimensionell ferrogelskiktsdesign
- Rita en trepunktsbåge som passerar genom punkterna (−7, 4,92), (0, 9,2) och (7, 4,92) bort från ellipsens mittpunkt.
- Rita en trepunktsbåge som passerar genom punkterna (−7, 4,92), (0, 7,6) och (7, 4,92) bort från ellipsens mittpunkt.
- Tvådimensionella gripdonsspetsar design
- För att göra gripdelen av griparen, skär 0,8 mm från varje sida från mittlinjen längst ner på ellipsen.
- Tredimensionell hybrid gripdesign
- För att förvandla den övergripande 2D-hybridgripardesignen till 3D, extrudera piedestalen på den responsiva gelén med 0,8 mm och extrudera den icke-responsiva gelén, den skurna ovalen på den responsiva gelén och ferrogelen med 2,5 mm.
3. Tredimensionell utskrift av soft hybrid-griparen
- Generera en G-kod 30 för varje struktur som skapades i steg 2 med hjälp av Slic3r-programvaran (se materialförteckning) med en 0,4 mm lagerhöjd, en utskriftshastighet på10 mms−1 och en fyllnadstäthet på 75%. Redigera G-kodfilen med dubbla skrivhuvuden.
- Spara G-kodfilen på ett säkert digitalt kort (SD) och anslut den till 3D-skrivaren (se Materialförteckning) för att generera utskriftsvägarna för den mjuka griparen.
- Anslut en luftpumps tryckreglering till 3D-skrivaren.
- Välj munstycksspetsar med diametrar på 0,25 mm och 0,41 mm för den NIPAM-baserade hydrogelen respektive AAm-baserade hydrogelen.
- Anslut den AAm-baserade hydrogelpatronen till munstycke 1 och den NIPAM-baserade hydrogelpatronen till munstycke 2.
- Kontrollera om patronernas två skrivhuvuden är i samma position på z-axeln.
- Kalibrera X- och Y-koordinaterna exakt för att undvika feljusteringar mellan de två munstyckena.
- Ställ in trycktrycket vid 20-25 KPa för den AAm-baserade hydrogelen och vid 10-15 KPa för den NIPAM-baserade hydrogelen.
- Upprepa steg 3.5–3.8 när varje prov är helt utskrivet (bild 2A).
4. UV-fotokurering av mjukhybridgriparen
- Före UV-fotokurering, injicera de magnetfältresponsiva ferrogelbläcken (beredda i steg 1.3) i det riktade tunnhålsområdet på den 3D-tryckta mjuka griparen med en spruta.
- Efter injektionen av ferrogen, placera griparstrukturen inuti en UV-källkammare med en våglängd på 365 nm i 6 minuter. Fixera UV-ljusets intensitet vid 4,9 mJ/s.
- Efter UV-fotokurering överför du gripdonsstrukturen till ett DI-vattenbad i minst 24 timmar tills den når ett helt svullet jämviktstillstånd (figur 2B-D).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den NIPAM-baserade hydrogelen beaktades främst vid utformningen av den termiskt responsiva mjuka griparen på grund av dess skarpa LCST, vilket gör att den uppvisar betydande svullnadsavsvällande egenskaper 9,10. Dessutom betraktades den AAm-baserade hydrogelen som ett icke-stimuli-responsivt system för att maximera formomvandlingen av den mjuka hybridgriparen samtidigt som delamineringen av gränssnittet reducerades under flera uppvärmnings- och kylningsprocesser. Dessutom integrerades ferrogel i detta hybridsystem för att skapa en magnetfältresponsiv mjukhybridgripare för obunden kontroll av magnetfältdriven rörelse. I synnerhet måste ferrogelbläckinjektionen utföras före polymerisation för att undvika separation från den NIPAM-baserade hydrogelstrukturen.
Aktiveringen av termiskt responsiv öppning och stängning ansågs främst för att bestämma hybridgriparens optimala geometri. Inledningsvis bedömdes svullnaden och svullnaden hos de NIPAM-baserade och AAm-baserade hydrogelerna genom att mäta diameterförändringarna från rumstemperatur till 60 °C. Baserat på denna verifiering av svullnadskraften placerades den AAm-baserade hydrogelen i den yttre delen av strukturskiktet och den NIPAM-baserade hydrogelen placerades inuti det responsiva skiktet. Detta arbete verifierade gripfunktionen hos flera olika strukturer i hybridgriparen, såsom cirkulära och elliptiska geometrier. Specifikt valdes en övergripande elliptisk form med en platt NIPAM-baserad platta inuti för att öka svullnadssvullnadskraften så att enheten kan greppa bra och hålla mål säkert utan att tappa dem under pick-and-place-uppgifter. Dessutom utformades ett symmetriskt halvmåneformat ferrogelområde ovanpå den elliptiska strukturen för att integrera den exakta magnetresponsiva rörelsen hos hybridgriparen.
Hybridgriparen tillverkades med hjälp av en vägorienterad additiv 3D-utskriftsmetod (figur 3). Först trycktes den AAm-baserade hydrogelen på utsidan av griparen som ett strukturstödjande skikt (figur 3A), och sedan trycktes den NIPAM-baserade hydrogelen i interiören som ett stimuli-responsivt skikt (figur 3B). Därefter injicerades ferrogel i brunnen högst upp på hybridgriparen (figur 3C). För det första steget i de dubbla 3D-utskrifts- och injektionsprocesserna överfördes de syntetiserade AAm-baserade och NIPAM-baserade hydrogelerna försiktigt till en tom 3D-patron för att inte släppa in luft. Injektionen av ferrogelen för att exakt ansluta till det AAm-baserade strukturella hydrogelskiktet måste utföras noggrant för att undvika bubblor.
En mängd olika utskriftsparametrar, såsom utskriftstryck, hastighet, munstycksdiameter och bläckkomposition, verifierades för att bestämma de optimala 3D-utskriftsförhållandena. Vi observerade att bläckens viskoelastiska egenskaper var de viktigaste parametrarna för att erhålla exakta tryck- och UV-härdningsprocesser. De viskoelastiska egenskaperna bestäms huvudsakligen av viktförhållandet för det rena gallringsmedlet (t.ex. laponit RD). För att identifiera lämpliga reologiska egenskaper hos bläcklösningarna är det viktigt att justera skjuvförtunningsmedlet för exakt tryckning och snabb stelning efter tryckning och före UV-härdningsprocessen. Dessutom måste de AAm-baserade och NIPAM-baserade hydrogelskikten anslutas exakt utan överlappning eller mellanrum mellan dem under 3D-utskriftsprocessen. En liten feljustering i X-Y-riktningarna och en förskjutning i Z-riktningen under den dubbla 3D-utskriftsprocessen kan resultera i betydande fel i den slutliga strukturen. Om någon feljustering observeras måste den förinställda placeringen av X- och Y-riktningarna med en förskjutning i Z-riktningen i G-koden justeras igen vid varje utskriftssteg tills de dubbla skrivhuvudena är perfekt inriktade. För att uppnå exakt inriktade griparstrukturer utan fel infördes små kubformade kalibreringsmarkörer i de fyra hörnen för att bevara mitten av varje struktur.
Den mjuka hybridgriparen utförde en pick-and-place-uppgift via termiskt lyhörd manövrering och magnetisk rörelse. Initialt observerades termiskt responsiv aktivering av den mjuka hybridgriparen. När temperaturen ökade över den lägre kritiska lösningstemperaturen (LCST) krympte den NIPAM-baserade gelén och griparspetsen stängdes på grund av avsvällningen av den NIPAM-baserade hydrogelen. Däremot öppnades griparspetsen på den mjuka hybridgriparen när temperaturen sjönk under LCST på grund av svullnaden av den NIPAM-baserade hydrogelen (figur 4A). Dessutom verifierade vi att införlivandet av ferrogel inte påverkade vikningen av den mjuka hybridgriparen under temperaturförändringar.
En enkel labyrint med en 3D-skrivare tillverkades, fylldes med DI-vatten och placerades på en kokplatta. Den helt svullna mjuka hybridgriparen placerades sedan vid labyrintens utgångsläge i ett spetsöppet tillstånd och laxrom placerades i målområdet. Den mjuka hybridgriparen styrdes med hjälp av en extern magnet tills den nådde laxrommen. Sedan stängdes spetsen på den mjuka hybridgriparen för att greppa laxrommen när temperaturen nådde 40 °C. Slutligen flyttades den mjuka hybridgriparen ut ur labyrinten medan den höll laxrom, och den släppte sedan laxrommen vid målområdet i ett spetsöppet tillstånd vid en rumstemperatur på 25 °C (figur 4B). Laxrommen behöll sin form utan skador under hela plock-och-plats-uppgiften. Dessutom användes neodymmagneter för att styra den mjuka hybridgriparen under den magnetresponsiva rörelsen.
Figur 1: Hydrogelberedning och designen av mjuka hybridgripare . (A) AAm-baserad hydrogel. (B) NIPAM-baserad hydrogel. C) Ferrogelfärger. (D) Designen för mjuka hybridgripare tillverkad med AutoCAD och Slic3r-programvara. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Tillverkningsprocess för 3D-utskrift av mjukhybridgriparen . (A) Dubbla utskriftslägen med AAm-baserad hydrogel och NIPAM-baserade hydrogelfärger. (B) Ferrogelskikt. C) UV-fotokurering. (D) Jämviktstillstånd i DI-vatten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Tillverkning av den mjuka hybridgriparen. (A) Exteriört, icke-stimuliresponsivt Aam-baserat hydrogelskikt. (B) Invändigt stimuliresponsivt NIPAM-baserat hydrogelskikt. (C) Ferrogelskiktet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Aktivering och rörelse av den mjuka hybridgriparen. (A) Termiskt responsiv aktivering av mjukhybridgriparen. (B) Demonstration av pick-and-place-uppgifter med softhybridgriparen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
När det gäller materialval för den mjuka hybridgriparen förbereddes först ett multiresponsivt materialsystem bestående av en icke-stimuli-responsiv AAm-baserad hydrogel, en termiskt lyhörd NIPAM-baserad hydrogel och en magnetresponsiv ferrogel för att låta den mjuka hybridgriparen uppvisa programmerbar rörelse och formtransformation. På grund av deras termiskt lyhörda svullnadssvullnadsegenskaper uppvisar NIPAM-baserade hydrogeler böjning, vikning eller skrynkling när de tillverkas som dubbelskikts- eller tvåskiktsstrukturer med hydrogeler med olika svullnadsegenskaper, såsom AAm-baserade hydrogeler1. Dessutom kan hydrogeler utformas för att vara magnetiskt responsiva genom att bädda in järnoxid (Fe2O3) nanopartiklar. Viktigt är att denna Fe2O3-införlivade akrylamidbaserade ferrogel kan spela en viktig roll för att möjliggöra magnetisk respons för att underlätta mjuk robotmagnetfältdriven rörelse. I synnerhet har magnetiskt responsiva hydrogeler föreslagits användas i obundna hydrogelbaserade mjuka robotsystem, vilket skulle ge mindre invasiva tillvägagångssätt i dynamiskt röriga miljöer32.
Viktigt är att den mjuka hybridgriparen krävde god vidhäftning bland de tre hydrogelerna. När vidhäftningen är dålig kommer gränssnittet mellan hydrogelerna att delamineras under upprepad svullnad och svullnad som svar på yttre utlösare. I synnerhet infördes akrylamidbaserade hydrogeler för att säkerställa god vidhäftning under upprepad termiskt och magnetiskt responsiv manipulation och rörelse av den mjuka hybridgriparen. Dessutom verifierades svullnaden och avsvullningen av termiskt responsiva NIPAM-baserade och icke-stimuli-responsiva AAm-baserade hydrogeler för att förutse graden av böjning av den mjuka hybridgriparen. Det bör noteras att en simuleringsmodell baserad på termodynamikramen med hydrogelsvullnad (t.ex. Flory-Huggins-modellen) och mekanik (t.ex. Neo-Hookean-modellen) kan hjälpa till att bestämma böjningens omfattning som en funktion av svullnaden och temperaturen8. Baserat på dessa experimentella och teoretiska karakteriseringar av griparens vikning valdes ett termiskt responsivt NIPAM-baserat hydrogelskikt för den inre delen, och ett icke-stimuli-responsivt AAm-baserat hydrogelskikt valdes för den yttre delen för att möjliggöra böjning av gripspetsarna i mitten med ökande temperaturer.
När det gäller tillverkningen av den mjuka hybridgriparen kan vår fyrdimensionella (4D) tidsberoende utskriftsprocess användas för att skapa olika stimulresponsiva mjuka robotar med ett brett storleksintervall från millimeter till centimeter. Nyligen har kombinationen av 4D-utskrift och stimuli-responsiva smarta material gett en ny väg för att utveckla intelligenta 3D-strukturer som är formtransformerbara när de utsätts för en lämplig stimulanskälla. Tillsammans med 4D-utskriftstekniken med hjälp av en programmerbar stimuli-responsiv hydrogel kan olika 3D-utskriftsvägar av stimuli-responsiva material presentera olika slutliga svullna geometrier som visar varierande böjda, rullade, vikta eller spiralformade strukturer26. Utvecklingen av denna innovativa 4D-utskriftsstrategi har väckt stor uppmärksamhet på grund av dess betydande skalbarhet och tillverkningsbarhet för att skapa intelligenta stimuli-responsiva mjuka robotar.
4D-utskrift av olika hydrogeler kräver dock flera utmaningar som ska övervinnas. För det första är svarstiden för den formbytbara aktiveringen av 4D-tryckta hydrogeler ganska långsam. Ytterligare finjustering av hydrogelkompositionen integrerad med funktionella material (t.ex. nanopartiklar, lågdimensionella material, flytande kristaller och till och med biologiska DNA) behövs för att förbättra svarstiden. Dessutom måste positionskalibreringen av Z-riktningen och inriktningen av X-Y-riktningarna dubbelkontrolleras vid varje steg under den dubbla utskriftsprocessen. För att få en kontinuerlig utskriftsprocess utan feljustering måste de förinställda värdena i X-, Y- och Z-riktningarna i G-kodfilerna dubbelkontrolleras och upprepas flera gånger tills skrivhuvudena är perfekt justerade.
Ur ett applikationsperspektiv introducerar detta dokument termiskt och magnetiskt responsiva mjuka hybridgripare som aktivt utför pick-and-place-uppgifter. Den sekventiella processen att säkert greppa och säkert hålla ett objekt är avgörande i mjuk robotik. Den stimuliresponsiva mjuka griparen har visat möjligheten att utveckla ett intelligent manipulationssystem som kan greppa och släppa ut föremål exakt på ett mindre invasivt eller icke-invasivt sätt enligt den yttre stimuli on-off-processen32. På senare tid, för att uppnå den automatiska rörelsen hos en mjuk gripare för exakta pick-and-place-uppgifter, har ultraljudsbildåterkopplingskopplade gradientmagnetfältsystem utvecklats parallellt33. Även om det fortfarande är på konceptuell nivå förväntar vi oss att detta specifika protokoll för 4D-utskrift av en mjuk stimuli-responsiv hybridgripare kommer att ge en grund för ytterligare betydande framsteg i utvecklingen av exakt kontrollerbara, mycket känsliga och multifunktionella smarta stimuli-responsiva mjuka robotar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Författarna erkänner tacksamt stöd från National Research Foundation of Korea (NRF) -bidrag finansierat av den koreanska regeringen (MSIT) (nr 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).
