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Resumo

Este manuscrito descreve uma estratégia de impressão 4D para fabricar robôs macios inteligentes responsivos a estímulos. Essa abordagem pode fornecer as bases para facilitar a realização de sistemas robóticos macios inteligentes transformáveis em formas, incluindo manipuladores inteligentes, eletrônicos e sistemas de saúde.

Resumo

O presente protocolo descreve a criação de robôs macios quadridimensionais (4D), dependentes do tempo, mutáveis por forma e responsivos a estímulos, usando um método de bioimpressão tridimensional (3D). Recentemente, as técnicas de impressão 4D têm sido extensivamente propostas como novos métodos inovadores para o desenvolvimento de robôs macios transformáveis em forma. Em particular, a transformação de forma dependente do tempo 4D é um fator essencial na robótica suave, pois permite que funções eficazes ocorram no momento e no local certos quando desencadeadas por sinais externos, como calor, pH e luz. De acordo com essa perspectiva, materiais responsivos a estímulos, incluindo hidrogéis, polímeros e híbridos, podem ser impressos para realizar sistemas robóticos macios inteligentes e transformáveis em formas. O protocolo atual pode ser usado para fabricar garras macias termicamente responsivas compostas de hidrogéis à base de N-isopropilacrilamida (NIPAM), com tamanhos gerais que variam de milímetros a centímetros de comprimento. Espera-se que este estudo forneça novas direções para a realização de sistemas robóticos macios inteligentes para várias aplicações em manipuladores inteligentes (por exemplo, garras inteligentes, atuadores e máquinas pick-and-place), sistemas de saúde (por exemplo, cápsulas de medicamentos, ferramentas de biópsia e microcirurgias) e eletrônicos (por exemplo, sensores vestíveis e fluídicos).

Introdução

O desenvolvimento de robôs macios responsivos a estímulos é importante do ponto de vista técnico e intelectual. O termo robôs macios responsivos a estímulos geralmente se refere a dispositivos/sistemas compostos por hidrogéis, polímeros, elastômeros ou híbridos que exibem mudanças de forma em resposta a pistas externas, como calor, pH e luz 1,2,3,4. Dentre os muitos robôs macios responsivos a estímulos, os robôs macios à base de hidrogel à base de hidrogel N-isopropilacrilamida (NIPAM) realizam as tarefas ou interações desejadas usando transformação espontânea de forma 5,6,7,8. Geralmente, os hidrogéis à base de NIPAM exibem uma baixa temperatura crítica da solução (LCST), e alterações de propriedade de inchaço (hidrofilicidade abaixo da LCST) e desinchamento (hidrofobicidade acima da LCST) ocorrem dentro do sistema de hidrogel perto de temperaturas fisiológicas entre 32 °C e 36 °C 9,10. Este mecanismo reversível de inchaço-desinchamento perto do ponto crítico de transição acentuado do LCST pode gerar a transformação da forma de robôs macios de hidrogel à base de NIPAM2. Como resultado, os robôs macios de hidrogel à base de NIPAM termicamente responsivos melhoraram as operações, como andar, agarrar, rastejar e detectar, que são importantes em manipuladores multifuncionais, sistemas de saúde e sensores inteligentes 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.

Na fabricação de robôs macios responsivos a estímulos, abordagens de impressão tridimensional (3D) têm sido amplamente empregadas usando um processo aditivo direto camada por camada22. Uma variedade de materiais, como plásticos e hidrogéis macios, pode ser impressa com impressão 3D23,24. Recentemente, a impressão 4D tem sido amplamente destacada como uma técnica inovadora para a criação de robôs macios programáveisem forma 25,26,27,28. Esta impressão 4D é baseada na impressão 3D, e a principal característica da impressão 4D é que as estruturas 3D podem mudar suas formas e propriedades ao longo do tempo. A combinação de impressão 4D e hidrogéis responsivos a estímulos forneceu outra rota inovadora para criar dispositivos 3D inteligentes que mudam de forma ao longo do tempo quando expostos a gatilhos de estímulo externos apropriados, como calor, pH, luz e campos magnéticos e elétricos25,26,27,28 . O desenvolvimento desta técnica de impressão 4D usando diversos hidrogéis responsivos a estímulos proporcionou uma oportunidade para o surgimento de robôs macios transformáveis em forma que exibem multifuncionalidade com velocidades de resposta aprimoradas e sensibilidade ao feedback.

Este estudo descreve a criação de uma garra macia termicamente responsiva acionada por impressão 3D que exibe a transformação da forma e a locomoção. Notavelmente, o procedimento específico descrito pode ser utilizado para fabricar vários robôs macios multifuncionais com tamanhos gerais que variam de escalas de milímetro a centímetro de comprimento. Finalmente, espera-se que esse protocolo possa ser aplicado em vários campos, incluindo robôs macios (por exemplo, atuadores inteligentes e robôs de locomoção), eletrônica flexível (por exemplo, sensores optoelétricos e laboratório em um chip) e sistemas de saúde (por exemplo, cápsulas de liberação de medicamentos, ferramentas de biópsia e dispositivos cirúrgicos).

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Protocolo

A pinça macia responsiva a estímulos foi composta por três tipos diferentes de hidrogéis: hidrogel à base de acrilamida não responsiva a estímulos (AAm), hidrogel à base de N-isopropil acrilamida (NIPAM) termicamente responsivo e ferrogel magnético responsivo (Figura 1). As três tintas de hidrogel foram preparadas modificando métodos previamente publicados 29,30,31. Os dados apresentados neste estudo estão disponíveis mediante solicitação do autor correspondente.

1. Preparação de tintas de hidrogel

  1. Tintas de hidrogel à base de AAm não responsivas a estímulos (Figura 1A)
    1. Diluir a acrilamida (AAm), o reticulante N, a N'-metilenobisacrilamida (BIS) (ver Tabela de Materiais) e o fotoiniciador 2-Hidroxi-4'-(2-hidroxietoxi)-2-metilpropiofenona (ver Tabela de Materiais) em água destilada (DI) utilizando um agitador magnético durante 24 h.
    2. Vórtice do agente de afinamento por cisalhamento, da nanoargila RD de laponita e do corante fluoresceína O-metacrilato (ver Tabela de Materiais) a 1.150 rpm durante, pelo menos, 6 h até que se diluam completamente.
    3. Preparar pesos específicos de tinta hidrogel à base de AAm por total de 20 mL de base de solução: 1,576 g de AAm, 0,332 g de BIS, 1,328 g de laponite RD, 0,166 g de fotoiniciador, 0,1 mg de NaOH, 0,1 mg de fluoresceína O-metacrilato (ver Tabela de Materiais) e 16,594 g de água DI.
    4. Após a diluição total, transfira a tinta hidrogel à base de AAm para um cartucho de impressão 3D vazio (consulte Tabela de Materiais) utilizando uma seringa.
  2. Tintas de hidrogel à base de NIPAM responsivas a estímulos (Figura 1B)
    1. Diluir N-isopropilacrilamida (NIPAM), poli N-isopropil acrilamida (PNIPAM) e o fotoiniciador (ver Tabela de Materiais) em água DI utilizando um agitador magnético durante 24 h.
    2. Vórtice do agente de cisalhamento, da nanoargila RD de laponita e do corante fluoresceína rodamina 6G a 1.150 rpm por pelo menos 6 h até que se diluam completamente.
    3. Preparar pesos específicos de tinta hidrogel à base de NIPAM por total de 20 mL de base de solução: 1,692 g de NIPAM, 0,02 g de pNIPAM, 1,354 g de laponite RD, 0,034 g de fotoiniciador, 0,1 mg de rodamina 6G (ver Tabela de Materiais) e 16,92 g de água DI.
    4. Após a diluição completa, transfira a tinta de hidrogel à base de NIPAM para um cartucho de impressão 3D vazio usando uma seringa.
  3. Tintas Ferrogel (Figura 1C)
    1. Preparar a solução A: Acrilamida diluída (AAm) e reticulante, N, N'-metilenobisacrilamida (BIS), óxido férrico (Fe2O3) e N, N, N', N'-tetrametiletilenodiamina (TMEDA) (ver Tabela de Materiais) em água DI.
    2. Considere a porcentagem de peso específico (wt%) dos materiais: 71% AAm, 3,5% BIS e 25,5% Fe 2 O3 em1,2mL de água DI com 10 μL de acelerador TMEDA.
    3. Preparar a solução B: Diluir 0,8 g de persulfato de amónio (APS, ver Tabela de Materiais) em 10 ml de água DI.
    4. Para polimerização, transferir 200 μL da solução A e 5 μL da solução B para um tubo de microcentrífuga.
    5. Vórtice do tubo de microcentrífuga por 20 s.

2. Otimização do design da garra híbrida macia

NOTA: A garra híbrida macia elíptica é composta por uma camada externa de hidrogel à base de AAm, uma camada interna de hidrogel à base de NIPAM e uma camada superior de ferrogel (Figura 1D). A garra híbrida macia elíptica geral foi criada usando o software AutoCAD (consulte Tabela de materiais).

  1. Design de camada de hidrogel bidimensional à base de AAm
    1. Desenhe uma forma elíptica com um eixo vertical de 24 mm e um eixo horizontal de 20 mm na parte mais externa.
    2. Desenhe outra forma elíptica com um eixo vertical de 20,8 mm e um eixo horizontal de 16,8 mm com o mesmo ponto central da forma desenhada no passo 2.1.1.
    3. Desenhe um arco de três pontos passando pelos pontos (−8,24, 2), (0, 6) e (8,24, 2) longe do ponto central da elipse.
    4. Apare a pequena parte superior do eclipse dividida pelo arco.
  2. Projeto de camada de hidrogel bidimensional à base de NIPAM
    1. Desenhar um oval com um eixo vertical de 20,2 mm e um eixo horizontal de 16,4 mm com o mesmo ponto central da forma desenhada no passo 2.1.1.
    2. Desenhar uma elipse com um eixo vertical de 16,16 mm e um eixo horizontal de 13,12 mm com o mesmo ponto central da forma desenhada no passo 2.1.1.
    3. Desenhe um arco de três pontos passando pelos pontos (−7,86, 1,83), (0, 5,6) e (7,86, 1,83) longe do ponto central da elipse.
    4. Desenhe um arco de três pontos passando pelos pontos (−5,47, 1,64), (0, 3,18) e (5,47, 1,64) longe do ponto central da elipse.
    5. Aparar a pequena parte superior das elipses dividida pelos arcos.
    6. Para fazer um pedestal, desenhe um arco com dois pontos de distância do ponto central em (−4,75, −2,71) e (4,75, −2,71) como ambos os pontos finais e um ponto de distância do ponto central em (0, -4,59).
  3. Design de camada de ferrogel bidimensional
    1. Desenhe um arco de três pontos passando pelos pontos (−7, 4,92), (0, 9,2) e (7, 4,92) longe do ponto central da elipse.
    2. Desenhe um arco de três pontos passando pelos pontos (−7, 4,92), (0, 7,6) e (7, 4,92) longe do ponto central da elipse.
  4. Design de pontas de garra bidimensionais
    1. Para fazer a parte de preensão da garra, corte 0,8 mm de cada lado a partir da linha central na parte inferior da elipse.
  5. Design de garra híbrida tridimensional
    1. Para transformar o design geral da garra híbrida 2D em 3D, extruda o pedestal do gel responsivo em 0,8 mm e extruda o gel não responsivo, o oval de corte do gel responsivo e o ferrogel em 2,5 mm.

3. Impressão tridimensional da garra híbrida macia

  1. Gere um código G 30 para cada estrutura criada na etapa 2 usando o software Slic3r (consulte Tabela de Materiais) com uma altura de camada de 0,4 mm, uma velocidade de impressão de10 mms−1 e uma densidade de preenchimento de 75%. Edite o arquivo de código G usando cabeças de impressão duplas.
  2. Salve o arquivo de código G em um cartão digital (SD) seguro e conecte-o à impressora 3D (consulte Tabela de materiais) para gerar os caminhos de impressão da garra macia.
  3. Conecte um controle de pressão da bomba de ar à impressora 3D.
  4. Escolha pontas de bico com diâmetros de 0,25 mm e 0,41 mm para o hidrogel à base de NIPAM e o hidrogel à base de AAm, respectivamente.
  5. Conecte o cartucho de hidrogel à base de AAm ao bocal 1 e o cartucho de hidrogel à base de NIPAM ao bocal 2.
  6. Verifique se as duas cabeças de impressão dos cartuchos estão na mesma posição no eixo z.
  7. Calibre as coordenadas X e Y com precisão para evitar desalinhamentos entre os dois bicos.
  8. Ajuste a pressão de impressão em 20-25 KPa para o hidrogel à base de AAm e em 10-15 KPa para o hidrogel à base de NIPAM.
  9. Repita as etapas 3.5-3.8 quando cada amostra estiver completamente impressa (Figura 2A).

4. Fotocura UV da garra híbrida macia

  1. Antes da fotocura UV, injete as tintas ferrogel responsivas ao campo magnético (preparadas na etapa 1.3) na área de furo fino alvo da garra macia impressa em 3D usando uma seringa.
  2. Após a injeção do ferrogel, coloque a estrutura da garra dentro de uma câmara de fonte UV com um comprimento de onda de 365 nm por 6 min. Fixe a intensidade da luz UV em 4,9 mJ/s.
  3. Após a fotocura UV, transfira a estrutura da garra para um banho-maria DI por pelo menos 24 h até atingir um estado de equilíbrio totalmente inchado (Figura 2B-D).

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Resultados

O hidrogel à base de NIPAM foi considerado principalmente ao projetar a garra macia termicamente responsiva devido ao seu LCST afiado, o que faz com que ele exiba propriedades significativas de inchaço-desinchamento 9,10. Além disso, o hidrogel à base de AAm foi considerado como um sistema não responsivo a estímulos para maximizar a transformação da forma da garra híbrida macia, reduzindo a delaminação da interface durante múltiplos processos de aquec...

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Discussão

Em termos de seleção de material para a garra híbrida macia, um sistema de material multi-responsivo composto por um hidrogel à base de AAm não responsivo a estímulos, um hidrogel à base de NIPAM termicamente responsivo e um ferrogel responsivo magnético foi preparado pela primeira vez para permitir que a garra híbrida macia exibisse locomoção programável e transformação de forma. Devido às suas propriedades de inchaço-desinchamento termicamente responsivas, os hidrogéis à base de NIPAM exibem flexão, ...

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Divulgações

Os autores declaram não haver conflitos de interesse.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio da subvenção da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) financiada pelo governo coreano (MSIT) (No.2022R1F1A1074266).

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Materiais

NameCompanyCatalog NumberComments
2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenoneSigma Aldrich410896-50GIrgacure 2959, photoinitiator
3D WOX 2Xsindohn/a3D printer for fabricating a maze
AcrylamideSigma-Aldrich29-007≥99%
Airbrush compressorWilTecAF18-2
Ammonium persulfateSigma AldrichA4418
Auto CADAutodeskn/asoftware for computer-aided-design file
BLX UV crosslinkerBIO-LINKU01-133-565
CartridgeCELLINKCSC010300102
Digital stirring Hot PlatesCorning6798-420D
Fluorescein O-methacrylateSigma Aldrich568864dye of AAm gel
INKREDIBLE+ bioprinterCELLINKn/a
Iron(III) Oxide redDUKSAN general scienceI0231
Laponite RDBYKn/ananoclay
Microcentrifuge tubeSPL60615
Micro stirrer barCowie27-00360-08
N, N, N', N'-tetramethylethylenediamineSigma AldrichT7024-100ML
N, N'-methylenebisacrylamideSigma AldrichM7279≥99.5%
N-isopropylacrylamideSigma-Aldrich415324-50G
Poly(N-isopropylacrylamide)Sigma-Aldrich535311
Rhodamine 6GSigma AldrichR4127dye of NIPAM gel
Slic3r software (v1.2.9)Slic3rn/aopen-source software to convert .stl file to gcode
Sodium hydroxide beadsSigma AldrichS5881
Sterile high-precision conical bioprinting nozzlesCELLINKNZ327000500122 G, 25 G
SyringeKorea vaccineK0741538910 CC 21 G (1-1/4 INCH)
Vortex mixerDAIHANDH.WVM00030

Referências

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