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

Forfatterne anerkender taknemmeligt støtte fra National Research Foundation of Korea (NRF) tilskud finansieret af den koreanske regering (MSIT) (nr. 2022R1F1A1074266).

Den stimuli-responsive bløde griber var sammensat af tre forskellige typer hydrogeler: ikke-stimuli-responsiv acrylamid (AAm) -baseret hydrogel, termisk responsiv N-isopropylacrylamid (NIPAM) -baseret hydrogel og magnetisk responsiv ferrogel (figur 1). De tre hydrogelblæk blev fremstillet ved at ændre tidligere offentliggjorte metoder 29,30,31. De data, der præsenteres i denne undersøg...

<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>

Med hensyn til materialevalg til den bløde hybridgriber blev et multiresponsivt materialesystem sammensat af en ikke-stimuli-responsiv AAm-baseret hydrogel, en termisk responsiv NIPAM-baseret hydrogel og en magnetisk responsiv ferrogel først forberedt for at give den bløde hybridgriber mulighed for at udvise programmerbar bevægelse og formtransformation. På grund af deres termisk responsive hævelsesnedbrydende egenskaber udviser NIPAM-baserede hydrogeler bøjning, foldning eller rynke, når de fremstilles som dobbe...

Udviklingen af stimuli-responsive bløde robotter er vigtig fra både tekniske og intellektuelle perspektiver. Udtrykket stimuli-responsive bløde robotter refererer generelt til enheder / systemer sammensat af hydrogeler, polymerer, elastomerer eller hybrider, der udviser formændringer som reaktion på eksterne signaler, såsom varme, pH og lys 1,2,3,4. Blandt de mange stimuli-responsive bløde robotter udfører N-isopropylacrylamid (NIPAM) hydrogelbaserede bløde robotter de ønskede opgaver eller interaktioner ved hjælp af spontan formtransformation 5,6,7,8. Generelt udviser de NIPAM-baserede hydrogeler en lav kritisk opløsningstemperatur (LCST), og hævelse (hydrofilicitet under LCST) og deswelling (hydrofobicitet over LCST) egenskabsændringer forekommer inde i hydrogelsystemet nær fysiologiske temperaturer mellem 32 ° C og 36 ° C 9,10. Denne reversible hævelses-deswelling-mekanisme nær LCST's skarpe kritiske overgangspunkt kan generere formtransformationen af NIPAM-baserede hydrogel bløde robotter2. Som et resultat har termisk responsive NIPAM-baserede hydrogelbløde robotter forbedret driften, såsom at gå, gribe, kravle og føle, hvilket er vigtigt i multifunktionelle manipulatorer, sundhedssystemer og smarte sensorer 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Ved fremstilling af stimuli-responsive bløde robotter er tredimensionelle (3D) printmetoder blevet anvendt i vid udstrækning ved hjælp af en direkte lag-for-lag additiv proces22. En række forskellige materialer, såsom plast og bløde hydrogeler, kan printes med 3D-print23,24. For nylig er 4D-udskrivning blevet fremhævet som en innovativ teknik til at skabe formprogrammerbare bløde robotter25,26,27,28. Dette 4D-print er baseret på 3D-print, og det vigtigste kendetegn ved 4D-print er, at 3D-strukturerne kan ændre deres former og egenskaber over tid. Kombinationen af 4D-udskrivning og stimuli-responsive hydrogeler har givet en anden innovativ rute til at skabe smarte 3D-enheder, der ændrer form over tid, når de udsættes for passende eksterne stimulusudløsere, såsom varme, pH, lys og magnetiske og elektriske felter25,26,27,28 . Udviklingen af denne 4D-printteknik ved hjælp af forskellige stimuli-responsive hydrogeler har givet mulighed for fremkomsten af formtransformerbare bløde robotter, der viser multifunktionalitet med forbedrede responshastigheder og feedbackfølsomhed.
Denne undersøgelse beskriver skabelsen af en 3D-printdrevet termisk responsiv blød griber, der viser formtransformation og bevægelse. Især kan den specifikke procedure, der er beskrevet, bruges til at fremstille forskellige multifunktionelle bløde robotter med samlede størrelser, der spænder fra millimeter- til centimeterlængdeskalaer. Endelig forventes det, at denne protokol kan anvendes på flere områder, herunder bløde robotter (f.eks. smarte aktuatorer og bevægelsesrobotter), fleksibel elektronik (f.eks. Optoelektriske sensorer og lab-on-a-chip) og sundhedssystemer (f.eks. Lægemiddelleveringskapsler, biopsiværktøjer og kirurgisk udstyr).

<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

Den nuværende protokol beskriver oprettelsen af firedimensionelle (4D), tidsafhængige, formforanderlige, stimuli-responsive bløde robotter ved hjælp af en tredimensionel (3D) bioprintmetode. For nylig er 4D-printteknikker blevet omfattende foreslået som innovative nye metoder til udvikling af formtransformerbare bløde robotter. Især 4D-tidsafhængig formtransformation er en væsentlig faktor i blød robotik, fordi den tillader effektive funktioner at forekomme på det rigtige tidspunkt og sted, når de udløses af eksterne signaler, såsom varme, pH og lys. I tråd med dette perspektiv kan stimuli-responsive materialer, herunder hydrogeler, polymerer og hybrider, udskrives for at realisere smarte formtransformerbare bløde robotsystemer. Den nuværende protokol kan bruges til at fremstille termisk responsive bløde gribere sammensat af N-isopropylacrylamid (NIPAM) -baserede hydrogeler med samlede størrelser fra millimeter til centimeter i længden. Det forventes, at denne undersøgelse vil give nye retninger for realisering af intelligente bløde robotsystemer til forskellige applikationer i smarte manipulatorer (f.eks. Gribere, aktuatorer og pick-and-place-maskiner), sundhedssystemer (f.eks. Lægemiddelkapsler, biopsiværktøjer og mikrokirurgi) og elektronik (f.eks. Bærbare sensorer og fluidik).

Den NIPAM-baserede hydrogel blev primært overvejet ved design af den termisk responsive bløde griber på grund af dens skarpe LCST, hvilket får den til at udvise betydelige hævelsesnedbrydende egenskaber 9,10. Derudover blev den AAm-baserede hydrogel betragtet som et ikke-stimuli-responsivt system for at maksimere formtransformationen af den bløde hybridgriber og samtidig reducere delamineringen af grænsefladen under flere opvarmnings- og køleprocesser. De...

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

Dette manuskript beskriver en 4D-printstrategi til fremstilling af intelligente stimuli-responsive bløde robotter. Denne tilgang kan danne grundlag for at lette realiseringen af intelligente formtransformerbare bløde robotsystemer, herunder smarte manipulatorer, elektronik og sundhedssystemer.

Firedimensionel udskrivning af Stimuli-responsive hydrogelbaserede bløde robotter

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

Den præsenterede protokol forventes at give nye retninger til realisering af intelligente, formtransformable, bløde robotsystemer til forskellige applikationer. Den tidsafhængige 4D-printproces kan skabe forskellige stimuli-responsive bløde robotter med et bredt størrelsesområde, fra millimeter til centimeter. Denne 4D-bioprintteknik kan udvides mod målrettet lægemiddellevering, mikrokirurgi og mindre invasiv biopsi inden for sundhedsteknik.Tekstinformation kan skabe tvetydighed for læserne, så visuelle demonstrationer er afgørende for at hjælpe med at opnå de tilsigtede resultater. For at forberede de ikke-stimuli-responsive acrylamidbaserede hydrogelblæk fortyndes acrylamidet, tværbindingen og fotoinitiatoren i deioniseret vand ved hjælp af en magnetisk omrører i 24 timer. For at forberede stimuli responsive N-isopropylacrylamidbaserede hydrogelblæk fortyndes N-isopropylacrylamid, propyl N-isopropylacrylamid og fotoinitiatoren i deioniseret vand ved hjælp af en magnetisk omrører i 24 timer.Tilsæt derefter farvestof til acrylamidgel og N-isopropylacrylamidgel, og hvirvel skæremidlet, Laponite RD, ved 1150 rotationer i minuttet eller mindst seks timer, indtil de er helt fortyndet. Følg derefter instruktionerne i teksten for at forberede hydrogelblækket. Til fremstilling af ferrogelblæk skal du først forberede A-opløsning og B-opløsning i henhold til protokollen beskrevet i teksten.For at udføre polymerisation overføres 200 mikroliter A-opløsningen og fem mikroliter af B-opløsningen til et mikrocentrifugerør og hvirvler blandingen i 20 sekunder. Brug Slicer-softwaren til at generere en G-kode for hver struktur, der tidligere er oprettet ved optimering af griberdesignet. Tildel en laghøjde på 0,4 millimeter.En fyldningstæthed på 75% Og en udskrivningshastighed på 10 millimeter i sekundet. Rediger G-kodefilen ved hjælp af dobbelte printhoveder. Gem G-kodefilen på et sikkert digitalt eller SD-kort, før du tilslutter den til 3D-printeren.Efter tilslutning af de akrylamidbaserede og N-isopropylacrylamidbaserede hydrogelpatroner til de respektive dyser skal du kontrollere, om patronernes to printhoveder er på samme position på Z-aksen. Kalibrer derefter X- og Y-koordinaterne præcist for at undgå fejljusteringer mellem de to dyser. Indstil nu tryktrykket til 20 til 25 kilopascal for den acrylamidbaserede hydrogel og til 10 til 15 kilopascal for den N-isopropylacrylamidbaserede hydrogel.Gentag trinnene, når hver prøve er helt udskrevet, for at udskrive den næste. Før UV-fotohærdning injiceres de magnetfeltresponsive ferrogelblæk i det målrettede tynde hulområde på den 3D-printede bløde griber ved hjælp af en sprøjte. Efter injektionen af ferrogel placeres griberstrukturen inde i et UV-kildekammer med en bølgelængde på 365 nanometer i seks minutter.Efter UV-fotohærdning overføres griberstrukturen til et deioniseret vandbad i mindst 24 timer, indtil den når en fuldt hævet ligevægtstilstand. Den bløde hybridgriber udførte en pick and place-opgave via termisk responsiv aktivering og magnetisk bevægelse. Når temperaturen steg over den lavere kritiske opløsningstemperatur eller LCST, svulmede den N-isopropylacrylamidbaserede hydrogel op og skrumpede og lukkede griberspidsen.I modsætning hertil åbnede griberspidsen, når temperaturen faldt under LCST på grund af hævelse af den N-isopropylacrylamidbaserede hydrogel. Griberen demonstrerede også en pick and place-opgave inde i en 3D-printet prøvelabyrint fyldt med deioniseret vand. Griberen blev i sin spidsåbne tilstand styret af en ekstern magnet fra sin startposition til mållakserognen.Da temperaturen nåede 40 grader Celsius, lukkede spidsen af griberen for at gribe lakserognen. Griberen blev guidet ud af labyrinten, mens han holdt lakserognen, og det lykkedes den at frigive den intakte lakserogn ved målområdet i en spids åben tilstand ved stuetemperatur på 25 grader Celsius. Der skal udvises eksperimentel omhu under kalibrering af koordinatpunkterne mellem de to dyser.Denne proces kræver meget øvelse. Denne specifikke protokol danner grundlaget for yderligere betydelige fremskridt i realiseringen af præcist kontrollerbare, meget følsomme og multifunktionelle smart-stimuli-responsive bløde robotter.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Micro 3D Udskrivning ved hjælp af en digital projektor og dens anvendelse i studiet af bløde materialer Mechanics

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-baserede Eksperimentel Procedure for Brain-robot Interaktion med menneskelignende robotter

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

Digital udskrivning af titandioxid for Dye sensibiliserede solceller

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 Printing af biomolekylære modeller for forskning og Pædagogik

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

Fabrikation af bløde pneumatisk netværk aktuatorer med skrå kamre

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

Skalerbar stempel udskrivning og fabrikation af Hemiwicking overflader

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

Hybrid udskrivning for fabrikation af Smart sensorer

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

At studere stor Amplitude oscillerende Shear svar af bløde materialer

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

Multimodal 3D-trykning af fantomer til simulering af biologisk væv

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

Hurtig fremstilling af tynde, bløde pneumatiske aktuatorer og robotter

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 ...