Name: four-dimensional printing of stimuli-responsive hydrogel-based soft robots
Uploaded: 2023-01-13T13:10:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Four-Dimensional Printing of Stimuli-Responsive Hydrogel-Based Soft Robots at JoVE.com

يقر المؤلفون بامتنان بالدعم المقدم من منحة المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) الممولة من الحكومة الكورية (MSIT) (رقم 2022R1F1A1074266).

يتكون القابض الناعم المستجيب للمحفزات من ثلاثة أنواع مختلفة من الهلاميات المائية: هيدروجيل غير مستجيب للمحفزات (AAm) قائم على مادة الأكريلاميد (AAm) ، هيدروجيل قائم على مادة الأكريلاميد N-isopropyl (NIPAM) المستجيب حراريا ، و ferrogel المستجيب المغناطيسي (الشكل 1). تم تحضير أحبار الهي...

<ol>
	<li>Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimuli+responsive+self-folding+using+thin+polymer+films.">Stimuli responsive self-folding using thin polymer films.</a> Current Opinion in Chemical Engineering. 2 (1), 112-119 (2013).</li><li>Zhang, Y. S., Khademhosseini, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+engineering+hydrogels.">Advances in engineering hydrogels.</a> Science. 356 (6337), (2017).</li><li>Erol, O., Pantula, A., Liu, W., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transformer+hydrogels:+A+review.">Transformer hydrogels: A review.</a> Advanced Materials Technologies. 4 (4), 1900043 (2019).</li><li>Liu, X., Liu, J., Lin, S., Zhao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogel+machines.">Hydrogel machines.</a> Materials Today. 36, 102-124 (2020).</li><li>Hu, Z., Zhang, X., Li, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+application+of+modulated+polymer+gels.">Synthesis and application of modulated polymer gels.</a> Science. 269 (5223), 525-527 (1995).</li><li>Klein, Y., Efrati, E., Sharon, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shaping+of+elastic+sheets+by+prescription+of+non-Euclidean+metrics.">Shaping of elastic sheets by prescription of non-Euclidean metrics.</a> Science. 315 (5815), 1116-1120 (2007).</li><li>Kim, J., Hanna, J. A., Byun, M., Santangelo, C. D., Hayward, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+responsive+buckled+surfaces+by+halftone+gel+lithography.">Design responsive buckled surfaces by halftone gel lithography.</a> Science. 335 (6073), 1201-1205 (2012).</li><li>Breger, J. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-folding+thermo-magnetically+responsive+soft+microgrippers.">Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 7 (5), 3398-3405 (2015).</li><li>Schild, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Poly+(N-isopropylacrylamide):+Experiment,+theory+and+application.">Poly (N-isopropylacrylamide): Experiment, theory and application.</a> Progress in Polymer Science. 17 (2), 163-249 (1992).</li><li>Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. -. C., Sharma, N., Zhou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimuli-responsive+polymer+gels.">Stimuli-responsive polymer gels.</a> Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).</li><li>Stuart, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emerging+applications+of+stimuli-responsive+polymer+materials.">Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials.</a> Nature Materials. 9, 101-113 (2010).</li><li>Ionov, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomimetic+hydrogel-based+actuating+systems.">Biomimetic hydrogel-based actuating systems.</a> Advanced Functional Materials. 23 (36), 4555-4570 (2013).</li><li>Ghosh, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimuli-responsive+soft+untethered+grippers+for+drug+delivery+and+robotic+surgery.">Stimuli-responsive soft untethered grippers for drug delivery and robotic surgery.</a> Frontiers in Mechanical Engineering. 3, 7 (2017).</li><li>Kirillova, A., Ionov, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shape-changing+polymers+for+biomedical+applications.">Shape-changing polymers for biomedical applications.</a> Journal of Materials Chemistry B. 7, 1597-1624 (2019).</li><li>Le, X., Lu, W., Zhang, J., Chen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+progress+in+biomimetic+anisotropic+hydrogel+actuators.">Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators.</a> Advanced Science. 6 (5), 1801584 (2019).</li><li>Xu, W., Gracias, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+three-dimensional+robots+with+hard+two-dimensional+materials.">Soft three-dimensional robots with hard two-dimensional materials.</a> ACS Nano. 13 (5), 4883-4892 (2019).</li><li>Yoon, C. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+biomimetic+stimuli+responsive+soft+grippers.">Advances in biomimetic stimuli responsive soft grippers.</a> Nano Convergence. 6, 20 (2019).</li><li>Lee, Y., Song, W. J., Sun, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogel+soft+robotics.">Hydrogel soft robotics.</a> Materials Today Physics. 15, 100258 (2020).</li><li>Shen, Z., Chen, F., Zhu, X., Yong, K. T., Gu, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimuli-responsive+functional+materials+for+soft+robotics.">Stimuli-responsive functional materials for soft robotics.</a> Journal of Materials Chemistry B. 8, 8972-8991 (2020).</li><li>Kim, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shape+morphing+smart+3D+actuator+materials+for+micro+soft+robot.">Shape morphing smart 3D actuator materials for micro soft robot.</a> Materials Today. 41, 243-269 (2020).</li><li>Ding, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multifunctional+soft+machines+based+on+stimuli-responsive+hydrogels:+From+freestanding+hydrogels+to+smart+integrated+systems.">Multifunctional soft machines based on stimuli-responsive hydrogels: From freestanding hydrogels to smart integrated systems.</a> Materials Today Advances. 8, 100088 (2020).</li><li>Wang, X., Jiang, M., Zhou, Z., Gou, J., Hui, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+printing+of+polymer+matrix+composites:+A+review+and+prospective.">3D printing of polymer matrix composites: A review and prospective.</a> Composites Part B: Engineering. 110, 442-458 (2017).</li><li>Bartlett, N. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+3D-printed,+functionally+graded+soft+robot+powered+by+combustion.">A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion.</a> Science. 349 (6244), 161-165 (2015).</li><li>Wehner, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+integrated+design+and+fabrication+strategy+for+entirely+soft,+autonomous+robots.">An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots.</a> Nature. 536, 451-455 (2016).</li><li>Tibbits, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=4D+printing:+Multi-material+shape+change.">4D printing: Multi-material shape change.</a> Architectural Design. 84 (1), 116-121 (2014).</li><li>Gladman, A. S., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomimetic+4D+printing.">Biomimetic 4D printing.</a> Nature Materials. 15, 413-418 (2016).</li><li>Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+4D+printing.">A review of 4D printing.</a> Materials &amp; Design. 125, 42-79 (2017).</li><li>Ionov, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=4D+biofabrication:+Materials,+methods,+and+applications.">4D biofabrication: Materials, methods, and applications.</a> Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 1800412 (2018).</li><li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual-gel+4D+printing+of+bioinspired+tubes.">Dual-gel 4D printing of bioinspired tubes.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 11 (8), 8492-8498 (2019).</li><li>Son, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Untethered+actuation+of+hybrid+hydrogel+gripper+via+ultrasound.">Untethered actuation of hybrid hydrogel gripper via ultrasound.</a> ACS Macro Letters. 9 (12), 1766-1772 (2020).</li><li>Ding, Z., Salim, A., Ziaie, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Squeeze-film+hydrogel+deposition+and+dry+micropatterning.">Squeeze-film hydrogel deposition and dry micropatterning.</a> Analytical Chemistry. 82 (8), 3377-3382 (2010).</li><li>Ongaro, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Autonomous+planning+and+control+of+soft+untethered+grippers+in+unstructured+environments.">Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments.</a> Journal of Micro-Bio Robotics. 12, 45-52 (2017).</li><li>Scheggi, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+motion+control+and+planning+of+untethered+soft+grippers+using+ultrasound+image+feedback.">Magnetic motion control and planning of untethered soft grippers using ultrasound image feedback.</a> 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE. , 6156-6161 (2017).</li></ol>

فيما يتعلق باختيار المواد للقابض الهجين الناعم ، تم إعداد نظام مواد متعدد الاستجابة يتكون من هيدروجيل قائم على AAm غير مستجيب للمحفزات ، وهيدروجيل قائم على NIPAM مستجيب حراريا ، و ferrogel مستجيب مغناطيسي لأول مرة للسماح للقابض الهجين الناعم بإظهار حركة قابلة للبرمجة وتحويل الشكل. نظرا لخصائصها ...

يعد تطوير الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات أمرا مهما من المنظورين التقني والفكري. يشير مصطلح الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات عموما إلى الأجهزة / الأنظمة المكونة من الهلاميات المائية أو البوليمرات أو اللدائن أو الهجينة التي تظهر تغيرات في الشكل استجابة للإشارات الخارجية ، مثل الحرارة ودرجة الحموضة والضوء1،2،3،4. من بين العديد من الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات ، تقوم الروبوتات اللينة القائمة على الهيدروجيل N-isopropylacrylamide (NIPAM) بالمهام أو التفاعلات المطلوبة باستخدام تحويل الشكل التلقائي5،6،7،8. بشكل عام ، تظهر الهلاميات المائية القائمة على NIPAM درجة حرارة منخفضة للمحلول الحرج (LCST) ، ويحدث تورم (محبة للماء أقل من LCST) وإزالة التورم (الكارهة للماء فوق LCST) داخل نظام الهيدروجيل بالقرب من درجات الحرارة الفسيولوجية بين 32 درجة مئوية و 36 درجة مئوية 9,10. يمكن لآلية التورم وإزالة التورم القابلة للانعكاس هذه بالقرب من نقطة الانتقال الحرجة الحادة ل LCST أن تولد تحولا في شكل روبوتات هيدروجيل لينة قائمة على NIPAM2. نتيجة لذلك ، قامت روبوتات هيدروجيل لينة القائمة على NIPAM المستجيبة للحرارة بتحسين العمليات ، مثل المشي والإمساك والزحف والاستشعار ، والتي تعتبر مهمة في المتلاعبين متعددي الوظائف وأنظمة الرعاية الصحية وأجهزة الاستشعار الذكية2،3،4،11،12،13،14،15،16،17 ، 18،19،20،21.
في تصنيع الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات ، تم استخدام مناهج الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) على نطاق واسع باستخدام عملية مضافة مباشرة طبقة تلو الأخرى22. يمكن طباعة مجموعة متنوعة من المواد ، مثل البلاستيك والهلاميات المائية الناعمة ، باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد23,24. في الآونة الأخيرة ، تم تسليط الضوء على الطباعة 4D على نطاق واسع كتقنية مبتكرة لإنشاء روبوتات لينة قابلة للبرمجة الشكل25،26،27،28. تعتمد هذه الطباعة 4D على الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والسمة الرئيسية للطباعة 4D هي أن الهياكل ثلاثية الأبعاد يمكنها تغيير أشكالها وخصائصها بمرور الوقت. وقد وفر الجمع بين الطباعة 4D والهلاميات المائية المستجيبة للمحفزات طريقا مبتكرا آخر لإنشاء أجهزة 3D ذكية تغير شكلها بمرور الوقت عند تعرضها لمحفزات التحفيز الخارجية المناسبة ، مثل الحرارة ودرجة الحموضة والضوء والمجالات المغناطيسية والكهربائية25،26،27،28 . وقد أتاح تطوير تقنية الطباعة 4D هذه باستخدام الهلاميات المائية المتنوعة المستجيبة للمحفزات فرصة لظهور روبوتات ناعمة قابلة للتحويل الشكل تعرض وظائف متعددة مع سرعات استجابة محسنة وحساسية للتغذية المرتدة.
تصف هذه الدراسة إنشاء القابض الناعم المستجيب حراريا الذي يحركه الطباعة 3D والذي يعرض تحول الشكل والحركة. والجدير بالذكر أنه يمكن استخدام الإجراء المحدد الموصوف لتصنيع العديد من الروبوتات اللينة متعددة الوظائف بأحجام إجمالية تتراوح من مقاييس الطول المليمترية إلى السنتيمترية. أخيرا ، من المتوقع أن يتم تطبيق هذا البروتوكول في العديد من المجالات ، بما في ذلك الروبوتات اللينة (على سبيل المثال ، المحركات الذكية وروبوتات الحركة) ، والإلكترونيات المرنة (على سبيل المثال ، أجهزة الاستشعار الكهروضوئية والمختبر على رقاقة) ، وأنظمة الرعاية الصحية (على سبيل المثال ، كبسولات توصيل الأدوية وأدوات الخزعة والأجهزة الجراحية).

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>2-Hydroxy-4&#39;-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>410896-50G</td>
			<td>Irgacure 2959, photoinitiator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D WOX 2X</td>
			<td>sindoh</td>
			<td>n/a</td>
			<td>3D printer for fabricating a maze</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylamide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>29-007</td>
			<td>&#8805;99%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Airbrush compressor</td>
			<td>WilTec</td>
			<td>AF18-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium persulfate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>A4418</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Auto CAD</td>
			<td>Autodesk</td>
			<td>n/a</td>
			<td>software for computer-aided-design file</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BLX UV crosslinker</td>
			<td>BIO-LINK</td>
			<td>U01-133-565</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cartridge</td>
			<td>CELLINK</td>
			<td>CSC010300102</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital stirring Hot Plates</td>
			<td>Corning</td>
			<td>6798-420D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescein O-methacrylate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>568864</td>
			<td>dye of AAm gel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>INKREDIBLE+ bioprinter</td>
			<td>CELLINK</td>
			<td>n/a</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iron(III) Oxide red</td>
			<td>DUKSAN general science</td>
			<td>I0231</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laponite RD</td>
			<td>BYK</td>
			<td>n/a</td>
			<td>nanoclay</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcentrifuge tube</td>
			<td>SPL</td>
			<td>60615</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro stirrer bar</td>
			<td>Cowie</td>
			<td>27-00360-08</td>
			<td>&#934;3&#215;<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64870/64870img01.png" />0&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N, N, N&#39;, N&#39;-tetramethylethylenediamine</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>T7024-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N, N&#39;-methylenebisacrylamide</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>M7279</td>
			<td>&#8805;99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-isopropylacrylamide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>415324-50G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Poly(N-isopropylacrylamide)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>535311</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rhodamine 6G</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>R4127</td>
			<td>dye of NIPAM gel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slic3r software (v1.2.9)</td>
			<td>Slic3r</td>
			<td>n/a</td>
			<td>open-source software to convert .stl file to gcode</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide beads</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S5881</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterile high-precision conical bioprinting nozzles</td>
			<td>CELLINK</td>
			<td>NZ3270005001</td>
			<td>22 G, 25 G</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>Korea vaccine</td>
			<td>K07415389</td>
			<td>10 CC 21 G (1-1/4 INCH)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vortex mixer</td>
			<td>DAIHAN</td>
			<td>DH.WVM00030</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

four-dimensional printing of stimuli-responsive hydrogel-based soft robots

يصف البروتوكول الحالي إنشاء روبوتات ناعمة رباعية الأبعاد (4D) ، تعتمد على الوقت ، قابلة لتغيير الشكل ، مستجيبة للمحفزات باستخدام طريقة الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد (3D). في الآونة الأخيرة ، تم اقتراح تقنيات الطباعة 4D على نطاق واسع كطرق جديدة مبتكرة لتطوير الروبوتات اللينة القابلة للتحويل. على وجه الخصوص ، يعد تحويل الشكل المعتمد على الوقت 4D عاملا أساسيا في الروبوتات اللينة لأنه يسمح بحدوث وظائف فعالة في الوقت والمكان المناسبين عند تشغيلها بواسطة إشارات خارجية ، مثل الحرارة ودرجة الحموضة والضوء. تماشيا مع هذا المنظور ، يمكن طباعة المواد المستجيبة للمحفزات ، بما في ذلك الهلاميات المائية والبوليمرات والهجينة ، لتحقيق أنظمة روبوتية ناعمة ذكية قابلة للتحويل. يمكن استخدام البروتوكول الحالي لتصنيع القابضات اللينة المستجيبة حراريا والتي تتكون من الهلاميات المائية القائمة على N-isopropylacrylamide (NIPAM) ، بأحجام إجمالية تتراوح من ملليمترات إلى سنتيمترات في الطول. من المتوقع أن توفر هذه الدراسة اتجاهات جديدة لتحقيق أنظمة روبوتية ناعمة ذكية لمختلف التطبيقات في المتلاعبين الأذكياء (على سبيل المثال ، القابضون والمحركات وآلات الالتقاط والمكان) ، وأنظمة الرعاية الصحية (على سبيل المثال ، كبسولات الأدوية ، وأدوات الخزعة ، والعمليات الجراحية الدقيقة) ، والإلكترونيات (على سبيل المثال ، أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء والسوائل).

تم أخذ الهيدروجيل القائم على NIPAM في الاعتبار بشكل أساسي عند تصميم القابض الناعم المستجيب حراريا بسبب LCST الحاد ، مما يجعله يظهر خصائص كبيرة للتورم والتورم 9,10. بالإضافة إلى ذلك ، تم اعتبار الهيدروجيل القائم على AAm كنظام غير مستجيب للمحفزات لزيادة تحويل شكل ال?...

Watch this Scientific Journal Video about Four-Dimensional Printing of Stimuli-Responsive Hydrogel-Based Soft Robots at JoVE.com

Four-Dimensional Printing of Stimuli-Responsive Hydrogel-Based Soft Robots

تصف هذه المخطوطة استراتيجية الطباعة 4D لتصنيع الروبوتات اللينة الذكية المستجيبة للمحفزات. يمكن أن يوفر هذا النهج الأساس لتسهيل تحقيق أنظمة روبوتية ناعمة ذكية قابلة للتحويل ، بما في ذلك المتلاعبين الأذكياء والإلكترونيات وأنظمة الرعاية الصحية.

طباعة رباعية الأبعاد للروبوتات اللينة القائمة على الهيدروجيل المستجيبة للمحفزات

The present protocol describes the creation of four-dimensional (4D), time-dependent, shape-changeable, stimuli-responsive soft robots using a ...

من المتوقع أن يوفر البروتوكول المقدم اتجاهات جديدة لتحقيق أنظمة روبوتية ذكية وقابلة للتحويل وناعمة لمختلف التطبيقات. يمكن لعملية الطباعة المعتمدة على الوقت 4D إنشاء روبوتات ناعمة متنوعة تستجيب للمحفزات ، مع نطاق واسع الحجم ، من ملليمترات إلى سنتيمترات. يمكن تمديد تقنية الطباعة الحيوية 4D هذه نحو توصيل الأدوية المستهدفة ، والجراحة المجهرية ، والخزعة الأقل توغلا في هندسة الرعاية الصحية.يمكن أن تخلق المعلومات النصية فقط غموضا للقراء ، لذا فإن العروض المرئية ضرورية للمساعدة في تحقيق النتائج المرجوة. لتحضير أحبار هيدروجيل غير مستجيبة للأكريلاميد ، قم بتخفيف مادة الأكريلاميد ، والرابط المتقاطع ، وبادئ الصورة في الماء منزوع الأيونات باستخدام محرك مغناطيسي لمدة 24 ساعة. لتحضير المحفزات المستجيبة لأحبار هيدروجيل N-isopropylacrylamide ، تمييع N-isopropylacrylamide ، بروبيل N-isopropylacrylamide ، وبادئ الصورة ، في الماء منزوع الأيونات ، باستخدام محرك مغناطيسي لمدة 24 ساعة.ثم أضف صبغة إلى هلام الأكريلاميد ، وجل N-isopropylacrylamide ، ودوامة عامل القص ، Laponite RD ، بمعدل 1150 دورة في الدقيقة ، أو ست ساعات على الأقل ، حتى يتم تخفيفها تماما. ثم اتبع التعليمات الواردة في النص لإعداد حبر هيدروجيل. لإعداد أحبار ferrogel ، أولا ، قم بإعداد حل A وحل B وفقا للبروتوكول الموضح في النص.لإجراء البلمرة ، انقل 200 ميكرولتر من المحلول A ، وخمسة ميكرولتر من المحلول B ، إلى أنبوب طرد مركزي دقيق ، وقم بتدوير الخليط لمدة 20 ثانية. باستخدام برنامج Slicer ، قم بإنشاء رمز G لكل هيكل تم إنشاؤه مسبقا عن طريق تحسين تصميم القابض. تعيين ارتفاع طبقة من 0.4 ملم.كثافة تعبئة 75٪وسرعة طباعة 10 ملليمترات في الثانية. قم بتحرير ملف التعليمات البرمجية G باستخدام رؤوس طباعة مزدوجة. احفظ ملف رمز G على بطاقة رقمية أو SD آمنة ، قبل توصيله بالطابعة ثلاثية الأبعاد.بعد توصيل خراطيش هيدروجيل القائمة على مادة الأكريلاميد و N-isopropylacrylamide بالفتحات المعنية ، تحقق مما إذا كان رأسي الطباعة للخراطيش في نفس الموضع على المحور Z. ثم قم بمعايرة إحداثيات X و Y بدقة ، لتجنب الاختلالات بين الفوهتين. الآن ، اضبط ضغط الطباعة على 20 إلى 25 كيلو باسكال للهيدروجيل القائم على مادة الأكريلاميد ، وعلى 10 إلى 15 كيلو باسكال للهيدروجيل القائم على N-isopropylacrylamide.كرر الخطوات بعد طباعة كل عينة بالكامل لطباعة العينة التالية. قبل المعالجة الضوئية للأشعة فوق البنفسجية ، قم بحقن أحبار ferrogel المستجيبة للمجال المغناطيسي في منطقة الثقب الرقيقة المستهدفة للقابض الناعم المطبوع 3D باستخدام حقنة. بعد حقن ferrogel ، ضع هيكل القابض داخل غرفة مصدر الأشعة فوق البنفسجية ، التي يبلغ طولها الموجي 365 نانومتر ، لمدة ست دقائق.بعد معالجة الصور بالأشعة فوق البنفسجية ، انقل هيكل القابض إلى حمام مائي منزوع الأيونات ، لمدة 24 ساعة على الأقل ، حتى يصل إلى حالة توازن منتفخة تماما. قام القابض الهجين الناعم بمهمة الانتقاء والمكان عبر التشغيل المستجيب حراريا والحركة المغناطيسية. عندما ارتفعت درجة الحرارة فوق درجة حرارة المحلول الحرج المنخفضة ، أو LCST ، تضخم هيدروجيل N-isopropylacrylamide ، وتقلص ، مما أدى إلى إغلاق طرف القابض.في المقابل ، تم فتح طرف القابض عندما انخفضت درجة الحرارة إلى ما دون LCST ، بسبب تورم هيدروجيل N-isopropylacrylamide. أظهر القابض أيضا مهمة اختيار ووضع داخل متاهة عينة مطبوعة 3D مملوءة بالماء منزوع الأيونات. تم توجيه القابض ، في حالة طرفه المفتوح ، بواسطة مغناطيس خارجي من موضع البداية إلى بطارخ السلمون المستهدف.عندما وصلت درجة الحرارة إلى 40 درجة مئوية ، أغلق طرف القابض للإمساك بطارخ السلمون. تم توجيه القابض للخروج من المتاهة أثناء الإمساك ببطارخ السلمون ، ونجح في إطلاق بطارخ السلمون السليم في المنطقة المستهدفة في حالة فتح الطرف ، عند درجة حرارة الغرفة 25 درجة مئوية. يجب توخي الحذر التجريبي أثناء معايرة نقاط الإحداثيات بين الفوهتين.هذه العملية تتطلب الكثير من الممارسة. يوفر هذا البروتوكول المحدد الأساس لمزيد من التقدم الكبير في تحقيق روبوتات ناعمة سريعة الاستجابة للمحفزات الذكية يمكن التحكم فيها بدقة وحساسة للغاية ومتعددة الوظائف.

Research

JoVE Journal

Engineering

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

الصغرى 3D الطباعة باستخدام جهاز عرض رقمي وتطبيقاتها في دراسة ميكانيكا مواد لينة

Buckling is a classical topic in mechanics. While buckling has long been studied as one of the major structural failure modes1, it has recently drawn new ...

SSVEP-based Experimental Procedure for Brain-Robot Interaction with Humanoid Robots

SSVEP القائم على الإجراءات التجريبية للدماغ روبوت التفاعل مع مواصفات البشر الروبوتات

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in ...

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

الطباعة الرقمية من ثاني أكسيد التيتانيوم للخلايا الشمسية صبغ الحساس

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less ...

3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy

3D طباعة نماذج الجزيئية البيولوجية للبحوث والتربية

The construction of physical three-dimensional (3D) models of biomolecules can uniquely contribute to the study of the structure-function relationship. 3D ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

تصنيع المحركات الناعمة شبكة تعمل بالهواء المضغوط مع الدوائر المائلة

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Scalable Stamp Printing and Fabrication of Hemiwicking Surfaces

ختم قابلة الطباعة وتصنيع الأسطح هيميويكينج

Hemiwicking is a process where a fluid wets a patterned surface beyond its normal wetting length due to a combination of capillary action and imbibition. ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

الهجين الطباعة لتصنيع أجهزة الاستشعار الذكية

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

دراسة استجابة متذبذبة القص السعة الكبيرة من مواد لينة

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl ...

Multimodal 3D Printing of Phantoms to Simulate Biological Tissue

الطباعة المتعددة الوسائط 3D من الأشباح لمحاكاة الانسجه البيولوجية

Biomedical optical imaging is playing an important role in diagnosis and treatment of various diseases. However, the accuracy and the reproducibility of ...

Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots

التصنيع السريع من المشغلات الهوائية لينه رقيقه والروبوتات

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a ...