MT Holley é apoiado pelo programa Graduate Fellows do Louisiana Board of Regents e C. Danielson é apoiado pelo Howard Hughes Medical Institute Professors Program. Este estudo é apoiado por NSF Grant No: 1530884. Os autores agradecem o suporte da sala limpa no Centro de Microsistemas e Dispositivos Avançados (CAMD).

1. Calcular massa de PDMS e aditivos <ol><li> Use a seguinte equação para encontrar a massa de PDMS necessária para alturas específicas nos seguintes procedimentos, M = ρ * V = ρ * Altura * Área (1), Onde &#39;Altura&#39; é a altura da camada, &#39;Área&#39; é a área de um recipiente no qual o PDMS será curado, &#39;ρ&#39; é a densidade da mistura e &#39;V&#39; é o volume. NOTA: Densidades para cálculos de altura são PDMS = 0,965 g / mL, Ni-PDMS = 1,639 g / mL, MB-PDMS = 0,648 g / mL. </li><li> Use a equação (1) para estimar a massa de PDMS necessária, para um determinado recipiente, para obter uma altura específica (5 mm) para a base do atuador biológico. A densidade resultante de PDMS é de 0,965 g / mL. NOTA: A proporção é de 10: 1 de base para agente de cura por peso. M base = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq1.jpg" /> )(2) M agente de cura = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq2.jpg" /> ) </li><li> Use a equação (1) para encontrar a massa de Ni-PDMS necessária, para um determinado recipiente, para obter uma altura específica (1,5 mm) da base inferior do biorobot. NOTA: As proporções são 1: 1.88 (Níquel em pó para PDMS em peso) e 1: 1.71: 0.171 (Níquel em pó para PDMS Base para PDMS agente de cura em peso). A densidade resultante de Ni-PDMS será de 1.639 g / mL. M Nickel = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq3.jpg" /> ) (3) M base = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq4.jpg" /> ) M agente de cura = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq5.jpg" /> ) </li><li> Da mesma forma, use a equação (1) para f<html> Ind da massa de MB-PDMS necessária, para um determinado recipiente, para obter uma altura específica (3,5 mm) da base superior do biorobot. NOTA: As proporções são de 1: 5 (microbolas para PDMS em peso) e 1: 4,54: 0,454 (microbalhoons para PDMS base para PDMS agente de cura em peso). A densidade resultante de MB-PDMS será de 0,648 g / mL. M Microballoon = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq6.jpg" /> ) (4) M base = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq7.jpg" /> ) M agente de cura = ρ * V = ρ * V * ( <img alt="Equação" src="/files/ftp_upload/55642/55642eq8.jpg" /> ) </li><li> Verifique a estabilidade dinâmica do biorobot com a dimensão e geometria desejada usando os scripts de análise; Veja a informação complementar, &#39;Biorobot_dynamic_stability.m&#39; e &#39;CG_CB_calculation.m&#39;. </li></ol>_title &quot;&gt; 2. Fabricação de atuadores biológicos em uma base estacionária NOTA: veja a Figura 1a. <ol><li> Revenda uma fina película de PDMS (veja a Figura 1a-1 e a2). A espessura do filme PDMS resultante será de 25 μm. <ol><li> Coloque uma bolacha de silício em um spinner de fotorresist e acione o interruptor da bomba para produzir sucção. NOTA : A bolacha de silício possui uma espessura de 4 polegadas de diâmetro e 500 μm. </li><li> Despeje a fotorresistência positiva ( por exemplo, S1808) na bolacha de silício até que a bolacha esteja completamente coberta. Programe o spinner para girar a 2.000 rpm por 20 s. Em seguida, encaixe o girador pressionando o pedal. Desligue a sucção depois de girar. </li><li> Aqueça uma placa quente até 120 ° C. Use pinças de bolacha para retirar a bolacha de silício do girador e coloque a bolacha de silício diretamente na placa de aquecimento. Cubra a bolacha com uma placa de Petri rasa e asse por 10 minutos. NOTA : Um forno pode ser usado para baKe a bolacha usando a mesma temperatura e duração. A Figura 1a-1 descreve esse processo. </li><li> Coloque um recipiente de plástico em uma balança e desligue-o. Despeje 6 g de base PDMS no recipiente e adicione 0,6 g de agente de cura PDMS. Misture o PDMS completamente por 5 min. NOTA: Após a mistura, a mistura deve ser confluida com bolhas. </li><li> Coloque o recipiente de PDMS misturado em uma câmara de vácuo. Reduza a pressão da câmara de vácuo para 100 mbar e deixe o recipiente na câmara por 30 min. Quebre o vácuo e remova o recipiente. Mantenha o recipiente coberto até o uso. </li><li> Coloque a bolacha de silício com a camada de fotorresis assada no spinner. Despeje lentamente toda a mistura de PDMS desgaseificada na bolacha. NOTA: Despeje devagar para que não sejam introduzidas novas bolhas na mistura. </li><li> Coloque o girador a 1.200 rpm por 5 min. Ligue a aspiração do girador e engate a máquina giratória. Desligue a sucção depois de girar. NOTA: TEssas configurações resultam em uma camada de PDAM de 25 μm de espessura. </li><li> Aqueça um forno a 40 ° C. Use uma pinça de bolacha para retirar a bolacha de silício do girador, depois coloque-a no forno. Asse o bolacha durante a noite e esfrie a bolacha à temperatura ambiente. NOTA: A Figura 1a-2 descreve esse processo. </li></ol></li><li> Gravação a laser da camada PDMS de filme fino. <ol><li> Ligue o interruptor de energia do gravador a laser e seu escape. Ligue o computador conectado ao gravador a laser. Abra o software gravador a laser. </li><li> Sob a opção &quot;Arquivo&quot;, abra o arquivo de projeto do atuador biológico mostrado na Figura 2e. <ol><li> Pressione o botão &quot;Configurações&quot;. Clique em &quot;Azul&quot; e altere a configuração de energia para 3% e a velocidade para 4%. Clique em &quot;Definir&quot;. Clique em &quot;Preto&quot; e mude o &quot;Modo&quot; para ignorar. Em seguida, clique em &quot;Definir&quot;. Faça o mesmo para &quot;Vermelho&quot;. Pressione o botão &quot;Aplicar&quot; para finalizaras configurações.&quot; </li><li> Pressione o botão &quot;Ativar o gravador&quot; no canto superior direito. </li></ol></li><li> Pressione o botão &quot;Reenviar&quot; para mover o design para o centro da tela do software. </li><li> Pressione o botão &quot;Visor de foco&quot; no programa e clique na borda do biorobot na tela. Isto irá mover o ponto laser guia do gravador laser para o ponto correspondente. </li><li> Mova a bolacha manualmente com pinças, de modo que o ponto na bolacha correspondente ao ponto clicado em 2.2.4 esteja diretamente sob o ponto laser guia. </li><li> Pressione o botão &quot;Começar a gravar o trabalho anterior&quot; para iniciar o processo de gravação. Remova a bolacha após a conclusão da gravação. Desligue todo o equipamento. NOTA: O botão &quot;Começar a gravar o trabalho anterior&quot; é o grande triângulo verde. Não olhe diretamente para o processo de gravação, pois o laser pode danificar os olhos. A Figura 1a-3 descreve esse processo. </li&gt; </ol></li><li> Preparação e fabricação da base do atuador biológico. <ol><li> Despeje as esferas de vidro (3 mm de diâmetro) em um tubo de 15 mL. Mergulhe as esferas com 70% de etanol em água DI durante 24 h. Remova o etanol e encha o tubo com água DI por 24 h. Despeje a água DI e coloque o tubo sobre uma placa quente a 50 ° C para facilitar a secagem das esferas de vidro. </li><li> Adicione 3 g à quantidade de PDMS encontrada na equação (1) para explicar o PDMS que irá manter os lados do recipiente durante o vazamento. Use a equação (2) para encontrar as bases do PDMS e do agente de cura. </li><li> Coloque um recipiente de plástico em uma balança e desligue-o. Despeje a quantidade de base de PDMS encontrada no passo 2.3.2 no recipiente e desligue-a. Em seguida, despeje a quantidade de agente de cura PDMS encontrada no passo 2.3.2 no recipiente. </li><li> Misture o PDMS completamente por 5 min. NOTA: PDMS é usado em uma proporção de 10: 1 de base para agente de cura. A mistura deve ter muitas bolhas. </li><li> Lugar, colocarUm recipiente para ser usado para assar em uma escala e zero fora. Derrame com cuidado a quantidade correta de PDMS encontrada na etapa 2.3.2 (e misturada no passo 2.3.4) no recipiente. Coloque as contas de vidro limpas em toda a mistura PDMS em intervalos regulares. Deixe um mínimo de 5 mm de espaço em torno de cada cordão para a base do atuador biológico. </li><li> Coloque o recipiente em uma câmara de vácuo. Reduza a pressão de vácuo para 100 mbar e apague a bomba de vácuo. Após 30 min, quebre o vácuo e remova o recipiente. Mantenha coberto até o uso. NOTA: A pressão na câmara pode aumentar lentamente ao longo do tempo à medida que a mistura desgaseifica e a câmara de vácuo escapa. Se a pressão aumentar substancialmente em mais de 100 mbar, ative a bomba de vácuo para restaurar a pressão para 100 mbar. </li><li> Aqueça uma placa quente a 40 ° C. Coloque cuidadosamente o recipiente do PDMS e as contas de vidro na placa quente. Cubra o recipiente e cozinhe durante a noite. </li></ol></li><li> Montagem do atuador biológico. </stRong&gt; NOTA: O procedimento a seguir pode ser feito a olho nu. <ol><li> Corte cubos (5 mm x 5 mm x 5 mm) do PDMS em massa feito na parte 2.3 usando uma lâmina de barbear. NOTA: Um talão deve estar no centro de cada cubo. </li><li> Limpe todos os lados de cada base de atuador biológico, para remover qualquer contaminante nas superfícies da base, pressionando a base na fita e remova. Repita para cada lado. </li><li> Redime as etapas 2.3.2 a 2.3.6 para fazer uma pequena quantidade de PDMS líquido. Mergulhe a ponta de uma agulha no PDMS líquido. Coloque uma gota do PDMS líquido na área de base gravada da bolacha padronizada no passo 2.2. Manchar a gota de PDMS para que ele cubra completamente a área de base de 5 mm x 5 mm. NOTA: A área de base é a seção do quadrado médio na Figura 2a . </li><li> Use pinças para colocar o cubo limpo a partir do passo 2.4.2 na área de base coberta com PDMS líquido. </li><li> Repita a etapa 2.4.3 de &quot;Coloque uma gota de PDMS líquido&quot; para o eNd e passo 2.4.4 para cada dispositivo que será feito. </li><li> Aqueça uma placa quente a 40 ° C. Coloque cuidadosamente a bolacha de silício com as montagens na placa quente. Cubra a bolacha e cozinhe durante a noite. NOTA : Mantenha os conjuntos anexados até o uso. A Figura 1a-4 descreve o dispositivo final. </li></ol></li></ol> 3. Fabricação de Biorobots (Figura 1b) <ol><li> Revestimento de rotação e gravação a laser de um filme fino PDMS <ol><li> Repita todas as etapas em 2.1 e 2.2 usando uma nova bolacha de silício. Isso resultará em uma bolacha de silício com uma película fina de PDMS e uma película fina da fotorresistência, que é gravada com um design de biorobot. NOTA : Ao repetir o passo 2.2, use o design do biorobot para gravação a laser em vez do design do atuador biológico usado anteriormente. As Figuras 1b-1 e b-3 representam esses processos. </li></ol></li><li> Preparação e fabricação do compasso PDMSSites. NOTA : O procedimento a seguir pode ser feito a olho nu. <ol><li> Derrame microbolos fenólicos em um tubo de 50 mL até ficar cheio. Encha o tubo com 70% de etanol em DI-água e deixe-o sentar-se durante 24 h. Derrame o etanol, adicione água DI e deixe-a sentar por 24 h. Desligue a água DI e, em seguida, coloque o tubo sobre uma placa de aquecimento a 50 ° C para facilitar a secagem das microbolas antes da utilização. </li><li> Use a equação (1) com a densidade MB-PDMS e 3,5 mm de altura para encontrar o volume de PDMS necessário. Adicione 3 g ao valor total, para explicar o material que permanecerá no recipiente após o vazamento. Use a equação (3) para encontrar a base PDMS e os valores do agente de cura. Medir a quantidade apropriada de base de PDMS, agente de cura e microballoons usando a escala. </li><li> Use a equação (1) com densidade Ni-PDMS e 1,5 mm de altura para encontrar o volume de PDMS necessário. Adicione 3 g ao valor total como no passo 3.2.2. Use a equação (2) para encontrar a base PDMS e curar umaMontantes de gent. Medir a quantidade apropriada de base de PDMS, agente de cura e pó de níquel usando a escala. </li><li> Misture cada mistura de MB-PDMS e Ni-PDMS por 5 min. Forneça cuidadosamente a quantidade correta de MB-PDMS e Ni-PDMS calculada em 3.2.2 e 3.2.3 em recipientes separados usando uma escala. NOTA : As misturas devem ser cuidadosamente misturadas por uma barra de metal ou vidro sem coçar a superfície inferior do recipiente de mistura. A mistura será confluente com bolhas. </li><li> Coloque ambos os recipientes em uma câmara de vácuo. Reduzir a pressão para 100 mbar durante 30 min. Quebre o vácuo e remova os recipientes. Mantenha coberto até o uso. </li><li> Aqueça uma placa quente a 40 ° C. Coloque recipientes com MB-PDMS e Ni-PDMS na placa quente. Cubra cada recipiente e leve à cozer durante a noite. NOTA : Armazene com uma tampa até o uso. </li></ol></li><li> Assembléia de Biorobot. <ol><li> Corte as bases de biorobot de dimensões respectivas para cada tamanho de biorobot de Ni-PDMS e MB-PDMS usando uma lâmina de barbear. Veja a Figura 2b-2d para projetos base. NOTA: As espessuras de Ni-PDMS são de 1,5 mm e a de MB-PDMS é de 3,5 mm. </li><li> Limpe todos os lados das bases do biorobot para remover quaisquer contaminantes nas superfícies, pressionando a base na fita e removendo. Repita para cada lado. </li><li> Ligue um descarregador corona. Traga a ponta do descarregador de corona 1 cm acima da base de Ni-PDMS, que é colocada em uma placa de metal com um tecido de sala limpa no meio. Mova a ponta ao redor da base e continue por 15 s para tratar a superfície. NOTA: Deve ocorrer uma descarga entre o descarregador corona e a bolacha. Se não, traga a ponta mais próxima até ocorrer uma descarga. </li><li> Repita o passo 3.3.3 para tratar a superfície da base de um biorobot gravado no passo 3.1 durante a mesma duração. Use pinças para colocar o lado tratado com Ni-PDMS no lado tratado do filme. Deixe o dispositivo ficar sentado durante 5 min. NOTA : Isto vai durarGue as duas partes. Veja a Figura 1b4 . </li><li> Use pinças afiadas para descascar o cantilever biorobot da bolacha e coloque-a no fundo da base Ni-PDMS. Use pinças para remover todo o conjunto da bolacha. NOTA : O cantilever será anexado à base Ni-PDMS. A Figura 1b-5 e b-6 retratam isso. </li><li> Coloque uma pequena gota de PDMS não curado (base 10: 1 para agente de cura) na parte superior da base MB-PDMS. Use pinças para colocar o lado do Ni-PDMS com o filme fino PDMS no MB-PDMS com o PDMS não curado. Coloque o conjunto em uma placa de petri de plástico e, em seguida, coloque-o sobre uma placa quente a 40 ° C para curar durante a noite. NOTA: A Figura 1b-7 descreve o dispositivo final. </li></ol></li></ol> 4. Funcionalidade dos Dispositivos NOTA : Abaixo, descrevemos o processo de preparação dos dispositivos para semeadura celular. <ol><li> PreparaçãoSão os materiais necessários: solução de fibronectina (50 μg / mL), solução de solução salina de tampão de fosfato (PBS), meio de Eagle modificado de Dulbecco (DMEM) suplementado com 10% de soro de bovino fetal (FBS) e 1% de antibiótico de penicilina (DMEM completo). </li><li> Coloque 100 μL de solução de fibronectina no centro de um balão de cultura T-25 (superfície inferior quando o frasco estiver sentado na posição vertical). Mantenha frascos separados para cada dispositivo. </li><li> Coloque o biorobot ou o atuador biológico voltado para baixo sobre a gota de solução de fibronectina. Certifique-se de que o cantilever é desdobrado e imerso dentro da gota. Incube a 37 ℃ por 30 min. </li><li> Após a incubação, remova a solução de fibronectina e lave com PBS duas vezes. </li><li> Remova o PBS e encha o balão com 10 mL de DMEM. Incube a 37 ℃ por 1 h para facilitar a desgaseificação do PDMS. Para submergir os biorobots em 10 mL de mídia, use um ímã para segurar o dispositivo na parte inferior do frasco. Coloque o frasco com o samEncha um banho de ultra-sons durante 5 min para remover as bolhas. NOTA : Durante o período de incubação, as bolhas de ar se formam na superfície do PDMS, que é referido como desgaseificação aqui. O Ni-PDMS usado na montagem biorobot é magnético. O atuador biológico não precisa de um ímã porque permanecerá na parte inferior do balão devido ao peso do talão de vidro. O biorobot ou o conjunto de atuador biológico está agora pronto para semeadura, o que é explicado em detalhes na parte 2. </li></ol>

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Os autores não têm nada a revelar

Vários mecanismos de locomoção podem ser encontrados entre nadadores aquáticos 16 . O mecanismo de locomoção do biorobot neste estudo usa locomoção baseada em aletas, especificamente locomoção ostraciiforme. Os nadadores Ostraciiform propulsam-se meneando uma cauda (cantilever) e tendo um corpo rígido (base em camadas) 16 . Os peixes, como o peixe e o peixe-gato, usam esse tipo de locomoção. Os nadadores Ostraciiform são tipicamente lentos e têm dimensões c...

Atuadores biológicos e biorobots estão sendo ativamente estudados para fornecer uma alternativa à robótica convencional para inúmeras aplicações. Biorobots que caminham 5 , 6 , 7 , 8 , nadam 1 , 2 , 3 , 4 , bomba 9 , 10 ou aderência 11 , 12 , 13 Já foram desenvolvidos. Do mesmo modo, as células musculares podem ser incorporadas em uma estrutura 3D PDMS rolada 14 . Muitas vezes, os backbones de biorobot são fabricados usando técnicas de litografia suave com materiais como hidrogéis e PDMS (polidimetilsiloxano). Estas são escolhas atraentes devido à sua flexibilidade, biocompatibilidadeE rigidez facilmente ajustável. As células musculares vivas geralmente são incorporadas com esses materiais para fornecer geração de força através da contração. As células do músculo cardíaco de mamífero (cardiomiócitos) e as células musculares esqueléticas têm sido usadas predominantemente para atuação. Além desses dois, os tecidos musculares de insetos foram usados ​​para operar biorobots à temperatura ambiente 3 . Neste estudo de duas partes, cardiomiócitos foram escolhidos por causa de sua contração espontânea 6 . Grande parte das pesquisas anteriores sobre biorobots foi focada no desenvolvimento dos atuadores biológicos, enquanto a otimização da arquitetura biorobot e o desenvolvimento de funcionalidades essenciais para os biorobots foram largamente negligenciados. Recentemente, alguns relatórios demonstraram a implementação de diferentes modos de natação inspirados nos modos de propulsão encontrados na natureza. Esses métodos incorporam filmes PDMS e células musculares para imitar vários métodos de propulsão natural. Por exemplo, a propulsão à base de flagelos 1 , a propulsão de medusa biomimética 2 , o raio bio-híbrido 4 e os dispositivos de natação PDMS de película fina 13 foram relatados. Neste artigo, apresentamos o processo de fabricação de biorobots de natação auto-estabilizáveis ​​que podem manter a profundidade de imersão, bem como o passo e o rolo. O biorobot tem uma base ou corpo sólido, que é impulsionado por um único cantilever com cardiomiócitos anexados à sua superfície. Os cardiomiócitos fazem com que o cantilever se dobre em direção longitudinal quando se contraem. Esta forma de natação é classificada como natação ostraciiforme. A capacidade de adicionar funcionalidades adicionais na base é uma vantagem única da natação ostraciiforme. Por exemplo, a base pode ser utilizada para fornecer o excesso de flutuabilidade para transportar cargas adicionais ou circuitos de controle para a contração de cardiomiócitos. EstabilidadeDo biorobot foi muitas vezes ignorado em estudos anteriores de biorobots. Neste estudo, implementamos a auto-estabilização ao projetar a base com diferentes materiais PDMS compostos de diferentes densidades de massa. O biorobot exibe assim resistência a distúrbios externos e mantém a sua profundidade de submersão, pitch e roll, sem ajuda. A primeira camada é o PDMS microballoon (MB-PDMS), ou seja , o PDMS misturado com microballons, o que diminui a densidade do biorobot, permitindo que flutue na mídia. A segunda camada é a cantilever do PDMS, e sua espessura é adaptada de tal forma que a força gerada pelos cardiomiócitos pode dobrar drasticamente o cantilever de 45 ° a 90 °. A camada inferior é nickel-PDMS (Ni-PDMS), ou seja , PDMS misturado com pó de níquel. Esta camada executa várias funções. É magnético e, portanto, permite que o biorobot seja ancorado no fundo do meio, durante a semeadura celular, com um ímã. A mistura de níquel é de maior densidade do que o MB-PDMS eMédio, e assegure uma posição vertical do biorobot enquanto flutua. O peso desta camada gera um torque de restauração no biorobot em qualquer passo e rolo. Além disso, a relação de volume entre o Ni-PDMS e o MB-PDMS mantém a profundidade de submersão. Os protocolos apresentados seriam altamente úteis para pesquisadores interessados ​​em caracterizar a força de batimento de células musculares e tecidos, bem como aqueles que desejam construir biorobots de natação. A semeadura do atuador biológico funcionalizado e dos dispositivos biorobot, a caracterização mecânica e bioquímica das células e a análise quantitativa da função do dispositivo são descritas em detalhes na Parte 2 deste artigo de duas partes, bem como no trabalho recente 15 .

<table><tbody><tr><td>Polydimethylsiloxane (PDMS)</td><td>Dow Corning</td><td>184 sil elast kit&amp;nbsp; 0.5kg</td><td>Sylgard 184</td></tr><tr><td>Nickel Powder</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>266981-100G</td><td></td></tr><tr><td>Phenolic microballoons</td><td>US Composites</td><td>BJO-0930</td><td></td></tr><tr><td>Silicon wafers</td><td></td><td></td><td>4 inch diameter</td></tr><tr><td>PWM101 light-duty spinner</td><td></td><td></td><td>Spin- coater</td></tr><tr><td>Positive photoresist (S1808)</td><td>Dow Corning</td><td>DEM-10018197</td><td></td></tr><tr><td>Hotplate</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum chamber</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>M206 mechanical convection oven</td><td></td><td></td><td>Convection oven</td></tr><tr><td>Laser engraver</td><td>Universal Laser System</td><td>VLS2.30</td><td>Utilizes a 10 W, 10.6 &amp;micro;m wavelength, CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; Laser</td></tr><tr><td>Universal Laser Systems Application</td><td>Universal Laser System</td><td></td><td>Application for running the VLS 2.30</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>MathWorks</td><td></td><td>Numerical analysis program</td></tr><tr><td>Scotch Tape</td><td>Scotch Brand</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Solid-glass beads</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z265926-1EA</td><td>Soda-lime glass, diameter 3 mm</td></tr><tr><td>Scale</td><td>Mettler Toledo</td><td>EL303</td><td></td></tr><tr><td>BD-20AC Laboratory Corona Treater</td><td>Electrotechnic Products</td><td>12051A</td><td>Corona Discharger</td></tr><tr><td>Ultrasonic Bath 1.9 L</td><td>Fisher Scientific</td><td>15-337-402</td><td>40 kHz industrial transducer</td></tr><tr><td>Fibronectin from bovine plasma</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>F1141</td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco&amp;rsquo;s Phosphate Buffer (PBS)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D1408-100ML</td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco&amp;rsquo;s Modified Eagle Medium (DMEM)</td><td>Hyclone Laboratories</td><td>16750-074</td><td>With 4500 mg/L glucose, 4.0 mM L-glutamine, and 110 mg/L sodium pyruvate.</td></tr><tr><td>Fetalclone III serum</td><td>Hyclone Industries, GE</td><td>16777-240</td><td>Fetal bovine serum</td></tr><tr><td>Penicillin-G sodium salt</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3032</td><td></td></tr></tbody></table>

cardiac muscle-cell based actuator and self-stabilizing biorobot - part 1

As máquinas biológicas, muitas vezes referidas como biorobots, são dispositivos vivos de células ou de tecido que são alimentados unicamente pela atividade contrátil de componentes vivos. Devido às suas vantagens inerentes, os biorobots estão ganhando interesse como alternativas aos robôs tradicionais totalmente artificiais. Vários estudos se concentraram no aproveitamento do poder dos atuadores biológicos, mas apenas estudos recentemente caracterizaram quantitativamente o desempenho de biorobots e estudaram sua geometria para melhorar a funcionalidade e a eficiência. Aqui, demonstramos o desenvolvimento de um biorobot de natação auto-estabilizador que pode manter seu tom, profundidade e rolo sem intervenção externa. O projeto e fabricação do andaime PDMS para o atuador biológico e biorobot seguido pela funcionalização com fibronectina é descrito nesta primeira parte. Na segunda parte deste artigo em duas partes, detalhamos a incorporação de cardiomiócitos e caracterizamos a actualização biológica.Função ator e biorobot. Ambos incorporam uma base e uma cauda (cantilever) que produzem propulsão baseada em aletas. A cauda é construída com técnicas de litografia suave usando PDMS e gravura a laser. Depois de incorporar a cauda com a base do dispositivo, é funcionalizada com uma proteína adesiva celular e semeada confluentemente com cardiomiócitos. A base do atuador biológico consiste em um bloco sólido de PDMS com um grânulo de vidro central (atua como um peso). A base do biorobot consiste em dois materiais PDMS compostos, Ni-PDMS e microballoon-PDMS (MB-PDMS). O pó de níquel (em Ni-PDMS) permite o controle magnético do biorobot durante a semeadura e estabilidade das células durante a locomoção. Microballoons (em MB-PDMS) diminuem a densidade de MB-PDMS, e permitem que o biorobot flutue e dê um salto constante. O uso desses dois materiais com diferentes densidades de massa permitiu um controle preciso sobre a distribuição do peso para garantir uma força de restauração positiva em qualquer ângulo do biorobot. Esta técnicaProduz um biorobot de natação auto-estabilizável controlado magneticamente.

O atuador biológico e o biorobot têm processos de fabricação muito semelhantes, pois o biorobot é uma extensão natural do atuador biológico ( Figura 1 ). O atuador biológico foi desenvolvido primeiro para estabelecer as técnicas necessárias para o biorobot, analisar a força gerada pelas células e caracterizar a maturação celular mecanicamente e bioquimicamente, ambas descritas detalhadamente na Parte 2 deste artigo de duas partes como Bem como em nosso trab...

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Cardiac Muscle-cell Based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - PART 1

Neste estudo de duas partes, um atuador biológico foi desenvolvido usando cantilevers de polidimetilsiloxano altamente flexíveis (PDMS) e células musculares vivas (cardiomiócitos) e caracterizados. O atuador biológico foi incorporado com uma base feita de materiais PDMS modificados para construir um biorobot de auto-estabilização e natação.

Atuador baseado em células musculares cardíacas e Biorobot auto estabilizante - PARTE 1

Biological machines often referred to as biorobots, are living cell- or tissue-based devices that are powered solely by the contractile activity of living ...

cardiac-muscle-cell-based-actuator-self-stabilizing-biorobot-part

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.0K visualizações.  Louisiana State University.  Neste estudo de duas partes, um atuador biológico foi desenvolvido usando cantilevers de polidimetilsiloxano altamente flexíveis (PDMS) e células musculares vivas (cardiomiócitos) e caracterizados. O atuador biológico foi incorporado com uma base feita de materiais PDMS modificados para construir um biorobot de auto-estabilização e natação. 

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An Experimental Platform to Study the Closed-loop Performance of Brain-machine Interfaces

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine interface to assess the robustness of different control-laws applied to a closed-loop image stabilization task. Taking advantage of the well-characterized fly visuomotor pathway we record the electrical activity from an identified, motion-sensitive neuron, H1, to control the yaw rotation of a two-wheeled robot. The robot is equipped with 2 high-speed video cameras providing visual motion input to a fly placed in front of 2 CRT computer monitors. The activity of the H1 neuron indicates the direction and relative speed of the robot's rotation. The neural activity is filtered and fed back into the steering system of the robot by means of proportional and proportional/adaptive control. Our goal is to test and optimize the performance of various control laws under closed-loop conditions for a broader application also in other brain machine interfaces.

We use a closed-loop fly-machine interface to investigate general principles in neuronal control.

Uma Plataforma Experimental para Estudo de Desempenho de circuito fechado de interfaces cérebro-máquina

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine ...

Neurociência

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in unstructured environments. At the same time, new procedures and techniques have been developed to reduce the invasiveness of surgical operations. Minimally Invasive Surgery (MIS) has been successfully employed for abdominal interventions, however standard MIS procedures are mainly based on rigid or semi-rigid tools that limit the dexterity of the clinician. This paper presents a soft and high dexterous manipulator for MIS. The manipulator was inspired by the biological capabilities of the octopus arm, and is designed with a modular approach. Each module presents the same functional characteristics, thus achieving high dexterity and versatility when more modules are integrated. The paper details the design, fabrication process and the materials necessary for the development of a single unit, which is fabricated by casting silicone inside specific molds. The result consists in an elastomeric cylinder including three flexible pneumatic actuators that enable elongation and omni-directional bending of the unit. An external braided sheath improves the motion of the module. In the center of each module a granular jamming-based mechanism varies the stiffness of the structure during the tasks. Tests demonstrate that the module is able to bend up to 120&#176; and to elongate up to 66% of the initial length. The module generates a maximum force of 47 N, and its stiffness can increase up to 36%.

This paper describes the design and fabrication of a soft unit for surgical manipulators. The base module includes three flexible fluidic actuators to achieve omnidirectional bending and elongation, and a granular jamming-based mechanism to enable stiffness control. A complete mechanical characterization is also reported.

Projeto e fabricação de uma Unidade de elastômero para robôs modulares moles em Cirurgia Minimamente Invasiva

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

Bioengenharia

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, compliant and biomimetic nature of this deformation, actuators made of the laminate have received increasing interest in soft robotics and (bio)medical applications. However, methods to easily fabricate the active material in large (even industrial) quantities and with a high batch-to-batch and within-batch repeatability are needed to transfer the knowledge from laboratory to industry. This protocol describes a simple, industrially scalable and reproducible method for the fabrication of ionic carbon-based electromechanically active capacitive laminates and the preparation of actuators made thereof. The inclusion of a passive and chemically inert (insoluble) middle layer (e.g., a textile-reinforced polymer network or microporous Teflon) distinguishes the method from others. The protocol is divided into five steps: membrane preparation, electrode preparation, current collector attachment, cutting and shaping, and actuation. Following the protocol results in an active material that can, for example, compliantly grasp and hold a randomly shaped object as demonstrated in the article.

This article describes a fast and simple manufacturing process of ionic electromechanically active composite materials for actuators in biomedical, biomimetic and soft robotics applications. The key fabrication steps, their importance for the actuators&#39; final properties, and some of the main characterization techniques are described in detail.

Fabricação de atuadores macios eletromecanicamente ativos à base de carbono

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...

Engenharia

Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with slopes of up to 84&#176;. The manufacturing method is valid for the fast pneunet bending actuators in general and might, therefore, be interesting for newcomers to the field of actuator manufacturing. The control of the robot is achieved by means of a pneumatic control box that can provide arbitrary pressures and can be built by only using purchased components, a laser cutter, and a soldering iron. For the walking performance of the robot, the pressure-angle calibration plays a crucial role. Therefore, a semi-automated method for the pressure-angle calibration is presented. At high inclines (&#62; 70&#176;), the robot can no longer reliably fix itself to the walking plane. Therefore, the gait pattern is modified to ensure that the feet can be fixed on the walking plane.

This protocol provides a detailed list of steps to be performed for the manufacturing, control and evaluation of the climbing performance of a gecko-inspired soft robot.

Avaliação de fabricação, controle e desempenho de um robô macio inspirado em gecko

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with ...

Cardiac Muscle Cell-based Actuator and Self-stabilizing Biorobot - Part 2

In recent years, hybrid devices that consist of a living cell or tissue component integrated with a synthetic mechanical backbone have been developed. These devices, called biorobots, are powered solely by the force generated from the contractile activity of the living component and, due to their many inherent advantages, could be an alternative to conventional fully artificial robots. Here, we describe the methods to seed and characterize a biological actuator and a biorobot that was designed, fabricated, and functionalized in the first part of this two-part article. Fabricated biological actuator and biorobot devices composed of a polydimethylsiloxane (PDMS) base and a thin film cantilever were functionalized for cell attachment with fibronectin. Following functionalization, neonatal rat cardiomyocytes were seeded onto the PDMS cantilever arm at a high density, resulting in a confluent cell sheet. The devices were imaged every day and the movement of the cantilever arms was analyzed. On the second day after seeding, we observed the bending of the cantilever arms due to the forces exerted by the cells during spontaneous contractions. Upon quantitative analysis of the cantilever bending, a gradual increase in the surface stress exerted by the cells as they matured over time was observed. Likewise, we observed movement of the biorobot due to the actuation of the PDMS cantilever arm, which acted as a fin. Upon quantification of the swimming profiles of the devices, various propulsion modes were observed, which were influenced by the resting angle of the fin. The direction of motion and the beating frequency were also determined by the resting angle of the fin, and a maximum swim velocity of 142 &#181;m/s was observed. In this manuscript, we describe the procedure for populating the fabricated devices with cardiomyocytes, as well as for the assessment of the biological actuator and biorobot activity.

In this study, a biological actuator and a self-stabilizing, swimming biorobot with functionalized elastomeric cantilever arms are seeded with cardiomyocytes, cultured, and characterized for their biochemical and biomechanical properties over time.

Atuador baseado em células musculares cardíacas e auto-estabilizante Biorobot - Parte 2

In recent years, hybrid devices that consist of a living cell or tissue component integrated with a synthetic mechanical backbone have been developed. ...

Revolucionando a reabilitação do AVC com maior preensão e recuperação dos dedos

A Flexible Wearable Supernumerary Robotic Limb for Chronic Stroke Patients

In this study, we present a flexible wearable supernumerary robotic limb that helps chronic stroke patients with finger rehabilitation and grasping movements. The design of this innovative limb draws inspiration from bending pneumatic muscles and the unique characteristics of an elephant's trunk tip. It places a strong emphasis on crucial factors such as lightweight construction, safety, compliance, waterproofing, and achieving a high output-to-weight/pressure ratio. The proposed structure enables the robotic limb to perform both envelope and fingertip grasping. Human-robot interaction is facilitated through a flexible bending sensor, detecting the wearer's finger movements and connecting them to motion control via a threshold segmentation method. Additionally, the system is portable for versatile daily use. To validate the effectiveness of this innovation, real-world experiments involving six chronic stroke patients and three healthy volunteers were conducted. The feedback received through questionnaires indicates that the designed mechanism holds immense promise in assisting chronic stroke patients with their daily grasping activities, potentially improving their quality of life and rehabilitation outcomes.

Autor em destaque: Aprimorando as habilidades de preensão para pacientes hemiplégicos com membros robóticos flexíveis 

This protocol introduces a flexible wearable supernumerary robotic limb tailored to assist in finger rehabilitation for stroke patients. The design incorporates a bending sensor to facilitate seamless human-robot interaction. Validation through experiments involving both healthy volunteers and stroke patients underscores the efficacy and dependability of the proposed study.

Um membro robótico supernumerário vestível flexível para pacientes com AVC crônico

In this study, we present a flexible wearable supernumerary robotic limb that helps chronic stroke patients with finger rehabilitation and grasping ...

Simultaneous Electrical and Mechanical Stimulation to Enhance Cells' Cardiomyogenic Potential

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in developed countries. Consequently, the demand for effective cardiac cell therapies has motivated researchers in the stem cell and bioengineering fields to develop in vitro high-fidelity human myocardium for both basic research and clinical applications. However, the immature phenotype of cardiac cells is a limitation on obtaining tissues that functionally mimic the adult myocardium, which is mainly characterized by mechanical and electrical signals. Thus, the purpose of this protocol is to prepare and mature the target cell population through electromechanical stimulation, recapitulating physiological parameters. Cardiac tissue engineering is evolving toward more biological approaches, and strategies based on biophysical stimuli, thus, are gaining momentum. The device developed for this purpose is unique and allows individual or simultaneous electrical and mechanical stimulation, carefully characterized and validated. In addition, although the methodology has been optimized for this stimulator and a specific cell population, it can easily be adapted to other devices and cell lines. The results here offer evidence of the increased cardiac commitment of the cell population after electromechanical stimulation. Electromechanically stimulated cells show an increased expression of main cardiac markers, including early, structural, and calcium-regulating genes. This cell conditioning could be useful for further regenerative cell therapy, disease modeling, and high-throughput drug screening.

Here we present a protocol for training a cell population using electrical and mechanical stimuli emulating cardiac physiology. This electromechanical stimulation enhances the cardiomyogenic potential of the treated cells and is a promising strategy for further cell therapy, disease modeling, and drug screening.

Estimulação simultânea de elétrica e mecânica para aumentar o potencial de Cardiomyogenic das células

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in developed countries. Consequently, the demand for effective cardiac cell therapies has motivated ...

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics paradigm, especially in biomedical research. Recreating artificial life-like actuation dynamics is crucial for a soft-robotic system. However, the precise control and tuning of actuation behavior still represents one of the main challenges of modern soft robotic systems. This method describes a low-cost, highly scalable, and easy-to-use procedure to fabricate an electrically controllable soft robot with life-like movements that is activated and controlled by the contraction of cardiac muscle tissue on a micropatterned sting ray-like hydrogel scaffold. The use of soft photolithography methods makes it possible to successfully integrate multiple components in the soft robotic system, including micropatterned hydrogel-based scaffolds with carbon nanotubes (CNTs) embedded gelatin methacryloyl (CNT-GelMA), poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), flexible gold (Au) microelectrodes, and cardiac muscle tissue. In particular, the hydrogels alignment and micropattern are designed to mimic the muscle and cartilage structure of the sting ray. The electrically conductive CNT-GelMA hydrogel acts as a cell scaffold that improves the maturation and contraction behavior of cardiomyocytes, while the mechanically robust PEGDA hydrogel provides structural cartilage-like support to the whole soft robot. To overcome the hard and brittle nature of metal-based microelectrodes, we designed a serpentine pattern that has high flexibility and can avoid hampering the beating dynamics of cardiomyocytes. The incorporated flexible Au microelectrodes provide electrical stimulation across the soft robot, making it easier to control the contraction behavior of cardiac tissue.

A bioinspired scaffold is fabricated by a soft photolithography technique using mechanically robust and electrically conductive hydrogels. The micropatterned hydrogels provide directional cardiomyocyte cell alignment, resulting in a tailored direction of actuation. Flexible microelectrodes are also integrated into the scaffold to bring electrical controllability for a self-actuating cardiac tissue.

Robô macio bioinspirado com microeletrodos incorporados

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics ...

Atuador baseado em células musculares cardíacas e Biorobot auto estabilizante - PARTE 1

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Um membro robótico supernumerário vestível flexível para pacientes com AVC crônico

Um membro robótico supernumerário vestível flexível para pacientes com AVC crônico

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