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

De auteurs erkennen dankbaar de steun van de National Research Foundation of Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (MSIT) (No.2022R1F1A1074266).

De stimuli-responsieve soft gripper was samengesteld uit drie verschillende soorten hydrogels: niet-stimuli-responsieve acrylamide (AAm) -gebaseerde hydrogel, thermisch responsieve N-isopropyl acrylamide (NIPAM) -gebaseerde hydrogel en magnetische responsieve ferrogel (figuur 1). De drie hydrogelinkten werden bereid door eerder gepubliceerde methoden te wijzigen 29,30,31. De gegevens die in...

<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>

In termen van materiaalkeuze voor de soft hybrid gripper, werd een multi-responsief materiaalsysteem bestaande uit een niet-stimuli-responsieve AAm-gebaseerde hydrogel, een thermisch responsieve NIPAM-gebaseerde hydrogel en een magnetisch-responsieve ferrogel voor het eerst voorbereid om de zachte hybride grijper programmeerbare voortbeweging en vormtransformatie te laten vertonen. Vanwege hun thermisch responsieve zwelling-ontzwwellingseigenschappen vertonen op NIPAM gebaseerde hydrogels buiging, vouwing of rimpeling wa...

De ontwikkeling van prikkelgevoelige zachte robots is belangrijk vanuit zowel technisch als intellectueel perspectief. De term stimuli-responsieve zachte robots verwijst over het algemeen naar apparaten / systemen die zijn samengesteld uit hydrogels, polymeren, elastomeren of hybriden die vormveranderingen vertonen als reactie op externe signalen, zoals warmte, pH en licht 1,2,3,4. Onder de vele stimuli-responsieve zachte robots, N-isopropylacrylamide (NIPAM) hydrogel-gebaseerde zachte robots voeren de gewenste taken of interacties uit met behulp van spontane vormtransformatie 5,6,7,8. Over het algemeen vertonen de op NIPAM gebaseerde hydrogels een lage kritische oplossingstemperatuur (LCST) en zwelling (hydrofieliteit onder de LCST) en deswelling (hydrofobiciteit boven de LCST) eigenschapsveranderingen treden op in het hydrogelsysteem in de buurt van fysiologische temperaturen tussen 32 °C en 36 °C 9,10. Dit omkeerbare zwelling-ontziltingsmechanisme in de buurt van het scherpe kritische overgangspunt van de LCST kan de vormtransformatie van nipam-gebaseerde hydrogel zachte robotsgenereren 2. Als gevolg hiervan hebben thermisch responsieve NIPAM-gebaseerde hydrogel zachte robots verbeterde operaties, zoals lopen, grijpen, kruipen en detecteren, die belangrijk zijn in multifunctionele manipulatoren, gezondheidszorgsystemen en slimme sensoren 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Bij de fabricage van stimuli-responsieve zachte robots zijn driedimensionale (3D) printbenaderingen op grote schaal gebruikt met behulp van een direct laag-voor-laag additief proces22. Een verscheidenheid aan materialen, zoals kunststoffen en zachte hydrogels, kan worden geprint met 3D-printen23,24. Onlangs is 4D-printen uitgebreid benadrukt als een innovatieve techniek voor het creëren van vormprogrammeerbare zachte robots 25,26,27,28. Dit 4D-printen is gebaseerd op 3D-printen en het belangrijkste kenmerk van 4D-printen is dat de 3D-structuren hun vormen en eigenschappen in de loop van de tijd kunnen veranderen. De combinatie van 4D-printen en stimuli-responsieve hydrogels heeft een andere innovatieve route geboden om slimme 3D-apparaten te creëren die in de loop van de tijd van vorm veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan geschikte externe stimulustriggers, zoals warmte, pH, licht en magnetische en elektrische velden 25,26,27,28 . De ontwikkeling van deze 4D-printtechniek met behulp van diverse stimuli-responsieve hydrogels heeft een kans geboden voor de opkomst van vormtransformatieerbare zachte robots die multifunctionaliteit weergeven met verbeterde responssnelheden en feedbackgevoeligheid.
Deze studie beschrijft de creatie van een 3D-printgestuurde thermisch responsieve soft gripper die vormtransformatie en voortbeweging weergeeft. Met name kan de beschreven specifieke procedure worden gebruikt om verschillende multifunctionele zachte robots te fabriceren met totale afmetingen variërend van de millimeter- tot centimeterlengteschalen. Ten slotte wordt verwacht dat dit protocol op verschillende gebieden kan worden toegepast, waaronder zachte robots (bijv. Slimme actuatoren en voortbewegingsrobots), flexibele elektronica (bijv. Opto-elektrische sensoren en lab-on-a-chip) en gezondheidszorgsystemen (bijv. Capsules voor medicijnafgifte, biopsietools en chirurgische apparaten).

<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

Het huidige protocol beschrijft de creatie van vierdimensionale (4D), tijdsafhankelijke, vormveranderlijke, stimuli-responsieve zachte robots met behulp van een driedimensionale (3D) bio-printmethode. Onlangs zijn 4D-printtechnieken uitgebreid voorgesteld als innovatieve nieuwe methoden voor het ontwikkelen van vorm-transformeerbare zachte robots. Met name 4D-tijdsafhankelijke vormtransformatie is een essentiële factor in zachte robotica omdat het effectieve functies op het juiste moment en op de juiste plaats mogelijk maakt wanneer deze worden geactiveerd door externe signalen, zoals warmte, pH en licht. In lijn met dit perspectief kunnen stimuli-responsieve materialen, waaronder hydrogels, polymeren en hybriden, worden geprint om slimme vorm-transformeerbare zachte robotsystemen te realiseren. Het huidige protocol kan worden gebruikt om thermisch responsieve soft grippers te fabriceren die zijn samengesteld uit op N-isopropylacrylamide (NIPAM) gebaseerde hydrogels, met totale afmetingen variërend van millimeters tot centimeters lang. Verwacht wordt dat deze studie nieuwe richtingen zal bieden voor het realiseren van intelligente zachte robotsystemen voor verschillende toepassingen in slimme manipulatoren (bijv. grijpers, actuatoren en pick-and-place-machines), gezondheidszorgsystemen (bijv. Medicijncapsules, biopsietools en microsurgeries) en elektronica (bijv. Draagbare sensoren en fluidics).

De op NIPAM gebaseerde hydrogel werd voornamelijk overwogen bij het ontwerpen van de thermisch responsieve zachte grijper vanwege zijn scherpe LCST, waardoor deze aanzienlijke zwellings-ontwaterende eigenschappen vertoont 9,10. Bovendien werd de op AAm gebaseerde hydrogel beschouwd als een niet-stimuli-responsief systeem om de vormtransformatie van de zachte hybride grijper te maximaliseren en tegelijkertijd de delaminatie van de interface tijdens meerdere verwar...

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

Dit manuscript beschrijft een 4D-printstrategie voor het fabriceren van intelligente stimuli-responsieve zachte robots. Deze aanpak kan de basis vormen voor de realisatie van intelligente vorm-transformeerbare zachte robotsystemen, waaronder slimme manipulatoren, elektronica en gezondheidszorgsystemen.

Vierdimensionaal printen van stimuli-responsieve hydrogel-gebaseerde zachte robots

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

Het gepresenteerde protocol zal naar verwachting nieuwe richtingen bieden voor het realiseren van intelligente, vorm transformeerbare, zachte robotsystemen voor verschillende toepassingen. Het 4D-tijdsafhankelijke printproces kan diverse prikkelgevoelige zachte robots creëren, met een breed formaatbereik, van millimeters tot centimeters. Deze 4D-bioprinttechniek kan worden uitgebreid naar gerichte medicijnafgifte, microchirurgie en minder invasieve biopsie in de gezondheidszorg.Alleen tekstinformatie kan ambiguïteit creëren voor de lezers, dus visuele demonstraties zijn essentieel om de beoogde resultaten te bereiken. Om de niet-stimuli-responsieve hydrogelinkten op basis van acrylamide te bereiden, verdunt u de acrylamide, de cross linker en de foto-initiator gedurende 24 uur in gedeïoniseerd water met behulp van een magnetische roerder. Om de stimuli responsieve N-isopropylacrylamide gebaseerde hydrogelinkten voor te bereiden, verdunt u N-isopropylacrylamide, propyl N-isopropylacrylamide en de foto-initiator, in gedeïoniseerd water, met behulp van een magnetische roerder gedurende 24 uur.Voeg vervolgens kleurstof toe aan acrylamidegel en N-isopropylacrylamidegel en vortex het knipmiddel, Laponite RD, met 1150 rotaties per minuut, of ten minste zes uur, totdat ze volledig zijn verdund. Volg vervolgens de instructies in de tekst om de hydrogelinkt te bereiden. Bereid voor het bereiden van de ferrogelinkten eerst A-oplossing en B-oplossing volgens het protocol dat in de tekst wordt beschreven.Om polymerisatie uit te voeren, brengt u 200 microliter van de A-oplossing en vijf microliter van de B-oplossing over in een microcentrifugebuis en vortext u het mengsel gedurende 20 seconden. Genereer met behulp van de Slicer-software een G-code voor elke structuur die eerder is gemaakt door optimalisatie van het grijperontwerp. Wijs een laaghoogte van 0,4 millimeter toe.Een invuldichtheid van 75% En een printsnelheid van 10 millimeter per seconde. Bewerk het G-codebestand met dubbele printkoppen. Sla het G-codebestand op een beveiligde digitale of SD-kaart op voordat u het aansluit op de 3D-printer.Controleer na het aansluiten van de hydrogelcartridges op basis van acrylamide en N-isopropylacrylamide op de respectieve nozzles of de twee printkoppen van de cartridges zich op dezelfde positie op de Z-as bevinden. Kalibreer vervolgens de X- en Y-coördinaten nauwkeurig, om verkeerde uitlijningen tussen de twee spuitmonden te voorkomen. Stel nu de drukdruk in op 20 tot 25 kilopascal voor de hydrogel op basis van acrylamide en op 10 tot 15 kilopascal voor de op N-isopropylacrylamide gebaseerde hydrogel.Herhaal de stappen nadat elk voorbeeld volledig is afgedrukt om het volgende voorbeeld af te drukken. Voordat u UV-foto's maakt, injecteert u de magnetische veldresponsieve ferrogelinkten met behulp van een spuit in het beoogde dunne gat van de 3D-geprinte softgrijper. Plaats na de injectie van de ferrogel de grijperstructuur gedurende zes minuten in een UV-bronkamer met een golflengte van 365 nanometer.Breng na het uitharden van UV-foto's de grijperstructuur over naar een gedeïoniseerd waterbad, gedurende ten minste 24 uur, totdat deze een volledig gezwollen evenwichtstoestand bereikt. De soft hybrid gripper voerde een pick and place-taak uit via thermisch responsieve bediening en magnetische voortbeweging. Toen de temperatuur boven de lagere kritische oplossingstemperatuur of LCST steeg, ontzwol de op N-isopropylacrylamide gebaseerde hydrogel en kromp, waardoor de grijperpunt werd gesloten.Daarentegen opende de grijperpunt toen de temperatuur onder de LCST daalde, als gevolg van zwelling van de op N-isopropylacrylamide gebaseerde hydrogel. De grijper demonstreerde ook een pick and place-taak in een 3D-geprint monsterdoolhof gevuld met gedeïoniseerd water. De grijper, in zijn punt open toestand, werd geleid door een externe magneet van zijn uitgangspositie naar de doelzalmkuit.Toen de temperatuur 40 graden Celsius bereikte, sloot de punt van de grijper zich om de zalmkuit vast te pakken. De grijper werd uit het doolhof geleid terwijl hij de zalmkuit vasthield en liet met succes de intacte zalmkuit los op het doelgebied in een punt open toestand, bij kamertemperatuur van 25 graden Celsius. Experimentele zorg moet worden genomen bij het kalibreren van de coördinaatpunten tussen de twee nozzles.Dit proces vergt veel oefening. Dit specifieke protocol biedt de basis voor verdere significante vooruitgang in de realisatie van nauwkeurig controleerbare, zeer gevoelige en multifunctionele slimme stimuli-responsieve zachte robots.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Micro 3D Printing Met behulp van een digitale projector en de toepassing ervan in de studie van de Soft Materials Mechanica

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-gebaseerde Experimentele Procedure voor Brain-Robot Interactie met Humanoid Robots

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 Printing titaandioxide voor kleurstof zonnecellen

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 Biomoleculaire modellen voor onderzoek en Pedagogiek

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

Fabricage van zachte pneumatische netwerk Actuators met schuine Chambers

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

Schaalbare stempel drukken en fabricage van Hemiwicking oppervlakken

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

Hybride afdrukken voor de fabrikatie van slimme sensoren

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

Bestuderen van grote Amplitude oscillerende Shear reactie van zachte materialen

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

Multimodale 3D-printen van Phantoms om biologisch weefsel te simuleren

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

Snelle fabricage van dunne zachte pneumatische aandrijvingen en robots

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 ...