Name: four-dimensional printing of stimuli-responsive hydrogel-based soft robots
Uploaded: 2023-01-13T13:10:00
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Les auteurs remercient le soutien de la subvention de la Fondation nationale de recherche de Corée (NRF) financée par le gouvernement coréen (MSIT) (No.2022R1F1A1074266).

La pince souple sensible aux stimuli était composée de trois types d’hydrogels différents : l’hydrogel à base d’acrylamide (AAm) non sensible aux stimuli, l’hydrogel à base d’acrylamide N-isopropylique (NIPAM) thermosensible et le ferrogel sensible magnétique (Figure 1). Les trois encres hydrogel ont été préparées en modifiant les méthodes précédemment publiées 29,30,31.</...

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	<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>

En termes de sélection de matériaux pour la pince hybride souple, un système de matériau multi-réactif composé d’un hydrogel à base d’AAm non sensible aux stimuli, d’un hydrogel à base de NIPAM thermosensible et d’un ferrogel sensible au magnétisme a d’abord été préparé pour permettre à la pince hybride souple de présenter une locomotion programmable et une transformation de forme. En raison de leurs propriétés de gonflement-deswelling thermosensibles, les hydrogels à base de NIPAM présentent...

Le développement de robots mous sensibles aux stimuli est important d’un point de vue technique et intellectuel. Le terme robots mous sensibles aux stimuli fait généralement référence à des dispositifs / systèmes composés d’hydrogels, de polymères, d’élastomères ou d’hybrides qui présentent des changements de forme en réponse à des signaux externes, tels que la chaleur, le pH et la lumière 1,2,3,4. Parmi les nombreux robots mous sensibles aux stimuli, les robots mous à base d’hydrogel N-isopropylacrylamide (NIPAM) effectuent les tâches ou interactions souhaitées en utilisant la transformation spontanée de la forme 5,6,7,8. En général, les hydrogels à base de NIPAM présentent une faible température critique de la solution (LCST) et des changements de propriétés de gonflement (hydrophilie inférieure au LCST) et de gonflement (hydrophobicité supérieure à la LCST) se produisent à l’intérieur du système hydrogel à proximité de températures physiologiques comprises entre 32 °C et 36 °C 9,10. Ce mécanisme de gonflement-gonflement réversible près du point de transition critique aigu du LCST peut générer la transformation de forme des robots mous hydrogel à base de NIPAM2. En conséquence, les robots souples à base d’hydrogel NIPAM thermiquement sensibles ont amélioré les opérations, telles que la marche, la préhension, le rampement et la détection, qui sont importantes dans les manipulateurs multifonctionnels, les systèmes de soins de santé et les capteurs intelligents 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Dans la fabrication de robots mous sensibles aux stimuli, les approches d’impression tridimensionnelle (3D) ont été largement utilisées à l’aide d’un procédé additif direct couche par couche22. Une variété de matériaux, tels que les plastiques et les hydrogels souples, peuvent être imprimés avec l’impression 3D23,24. Récemment, l’impression 4D a été largement mise en évidence comme une technique innovante pour créer des robots souples programmablespar forme 25,26,27,28. Cette impression 4D est basée sur l’impression 3D, et la principale caractéristique de l’impression 4D est que les structures 3D peuvent changer leurs formes et leurs propriétés au fil du temps. La combinaison de l’impression 4D et des hydrogels sensibles aux stimuli a fourni une autre voie innovante pour créer des dispositifs 3D intelligents qui changent de forme au fil du temps lorsqu’ils sont exposés à des déclencheurs de stimulus externes appropriés, tels que la chaleur, le pH, la lumière et les champs magnétiques et électriques25,26,27,28 . Le développement de cette technique d’impression 4D utilisant divers hydrogels sensibles aux stimuli a permis l’émergence de robots mous transformables en forme qui affichent une multifonctionnalité avec des vitesses de réponse et une sensibilité de rétroaction améliorées.
Cette étude décrit la création d’une pince souple thermosensible pilotée par impression 3D qui affiche la transformation de la forme et la locomotion. Notamment, la procédure spécifique décrite peut être utilisée pour fabriquer divers robots mous multifonctionnels avec des tailles globales allant du millimètre au centimètre de longueur. Enfin, on s’attend à ce que ce protocole puisse être appliqué dans plusieurs domaines, y compris les robots mous (p. ex., les actionneurs intelligents et les robots de locomotion), l’électronique flexible (p. ex. capteurs optoélectriques et laboratoires sur puce) et les systèmes de soins de santé (p. ex. capsules d’administration de médicaments, outils de biopsie et dispositifs chirurgicaux).

<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

Le présent protocole décrit la création de robots mous quadridimensionnels (4D), dépendants du temps, changeants de forme et sensibles aux stimuli à l’aide d’une méthode de bio-impression tridimensionnelle (3D). Récemment, les techniques d’impression 4D ont été largement proposées comme nouvelles méthodes innovantes pour développer des robots mous transformables en forme. En particulier, la transformation de forme 4D dépendante du temps est un facteur essentiel de la robotique douce, car elle permet aux fonctions efficaces de se produire au bon moment et au bon endroit lorsqu’elles sont déclenchées par des signaux externes, tels que la chaleur, le pH et la lumière. Conformément à cette perspective, des matériaux sensibles aux stimuli, y compris des hydrogels, des polymères et des hybrides, peuvent être imprimés pour réaliser des systèmes robotiques souples transformables en forme intelligente. Le protocole actuel peut être utilisé pour fabriquer des préhenseurs souples thermosensibles composés d’hydrogels à base de N-isopropylacrylamide (NIPAM), avec des tailles globales allant de millimètres à centimètres de longueur. On s’attend à ce que cette étude fournisse de nouvelles orientations pour la réalisation de systèmes robotiques souples intelligents pour diverses applications dans les manipulateurs intelligents (p. ex. pinces, actionneurs et machines de prélèvement et de placement), les systèmes de soins de santé (p. ex. capsules de médicaments, outils de biopsie et microchirurgies) et l’électronique (p. ex. capteurs portables et fluidiques).

L’hydrogel à base de NIPAM a été principalement pris en compte lors de la conception de la pince souple thermosensible en raison de son LCST tranchant, ce qui lui confère des propriétés significatives de gonflement-gonflement 9,10. En outre, l’hydrogel à base d’AAm a été considéré comme un système non sensible aux stimuli pour maximiser la transformation de la forme de la pince hybride souple tout en réduisant le délaminage de l’interface pe...

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

Ce manuscrit décrit une stratégie d’impression 4D pour la fabrication de robots mous intelligents sensibles aux stimuli. Cette approche peut fournir la base pour faciliter la réalisation de systèmes robotiques souples intelligents transformables en forme, y compris les manipulateurs intelligents, l’électronique et les systèmes de soins de santé.

Impression quadridimensionnelle de robots mous à base d’hydrogel sensibles aux stimuli

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

Le protocole présenté devrait fournir de nouvelles orientations pour la réalisation de systèmes robotiques souples, intelligents et transformables pour diverses applications. Le processus d’impression 4D dépendant du temps peut créer divers robots mous sensibles aux stimuli, avec une large gamme de tailles, du millimètre au centimètre. Cette technique de bio-impression 4D peut être étendue à l’administration ciblée de médicaments, à la microchirurgie et à la biopsie moins invasive dans l’ingénierie des soins de santé.Les informations textuelles seules peuvent créer de l’ambiguïté pour les lecteurs, de sorte que les démonstrations visuelles sont essentielles pour aider à atteindre les résultats escomptés. Pour préparer les encres hydrogel à base d’acrylamide non sensibles aux stimuli, diluez l’acrylamide, le réticulant et le photo-initiateur dans de l’eau désionisée à l’aide d’un agitateur magnétique pendant 24 heures. Pour préparer les encres hydrogel à base de N-isopropylacrylamide sensibles aux stimuli, diluer le N-isopropylacrylamide, le N-isopropylacrylamide de propyle et le photo-initiateur, dans de l’eau désionisée, à l’aide d’un agitateur magnétique pendant 24 heures.Ajoutez ensuite un colorant au gel d’acrylamide et au gel de N-isopropylacrylamide, et faites tourbillonner l’agent de cisaillement, Laponite RD, à 1150 rotations par minute, soit au moins six heures, jusqu’à ce qu’ils soient complètement dilués. Suivez ensuite les instructions fournies dans le texte pour préparer l’encre hydrogel. Pour préparer les encres ferrogel, préparez d’abord une solution A et une solution B selon le protocole décrit dans le texte.Pour effectuer la polymérisation, transférez 200 microlitres de la solution A et cinq microlitres de la solution B dans un tube microcentrifuge et vortex le mélange pendant 20 secondes. À l’aide du logiciel Slicer, générez un code G pour chaque structure précédemment créée par optimisation de la conception de la pince. Attribuez une hauteur de couche de 0,4 millimètre.Une densité de remplissage de 75%Et une vitesse d’impression de 10 millimètres par seconde. Modifiez le fichier de code G à l’aide de deux têtes d’impression. Enregistrez le fichier de code G sur une carte numérique ou SD sécurisée, avant de le connecter à l’imprimante 3D.Après avoir connecté les cartouches d’hydrogel à base d’acrylamide et à base de N-isopropylacrylamide aux buses respectives, vérifiez si les deux têtes d’impression des cartouches sont dans la même position sur l’axe Z. Ensuite, calibrez les coordonnées X et Y avec précision, pour éviter les désalignements entre les deux buses. Maintenant, réglez la pression d’impression à 20 à 25 kilopascal pour l’hydrogel à base d’acrylamide et à 10 à 15 kilopascal pour l’hydrogel à base de N-isopropylacrylamide.Répétez les étapes après l’impression complète de chaque échantillon pour imprimer le suivant. Avant la photopolymérisation UV, injectez les encres ferrogel sensibles au champ magnétique dans la zone de trou mince ciblée de la pince souple imprimée en 3D à l’aide d’une seringue. Après l’injection du ferrogel, placez la structure de préhension dans une chambre source UV, ayant une longueur d’onde de 365 nanomètres, pendant six minutes.Après photopolymérisation UV, transférer la structure de la pince dans un bain-marie désionisé, pendant au moins 24 heures, jusqu’à ce qu’elle atteigne un état d’équilibre complètement gonflé. La pince hybride souple a effectué une tâche de pick and placement via un actionnement thermosensible et une locomotion magnétique. Lorsque la température a augmenté au-dessus de la température de solution critique inférieure, ou LCST, l’hydrogel à base de N-isopropylacrylamide a gonflé et a rétréci, fermant l’embout de la pince.En revanche, l’embout de la pince s’est ouvert lorsque la température a diminué en dessous du LCST, en raison du gonflement de l’hydrogel à base de N-isopropylacrylamide. La pince a également démontré une tâche de pick and place à l’intérieur d’un labyrinthe d’échantillons imprimés en 3D rempli d’eau désionisée. La pince, à l’état ouvert de la pointe, était guidée par un aimant externe depuis sa position de départ jusqu’aux œufs de saumon ciblés.Lorsque la température a atteint 40 degrés Celsius, la pointe de la pince s’est fermée pour saisir les œufs de saumon. La pince a été guidée hors du labyrinthe tout en tenant les œufs de saumon, et elle a réussi à libérer les œufs de saumon intacts dans la zone cible dans un état de pointe ouverte, à une température ambiante de 25 degrés Celsius. Des précautions expérimentales doivent être prises lors de l’étalonnage des points de coordonnées entre les deux buses.Ce processus nécessite beaucoup de pratique. Ce protocole spécifique jette les bases d’autres avancées significatives dans la réalisation de robots mous sensibles aux stimuli intelligents contrôlables avec précision, hautement sensibles et multifonctionnels.

Research

JoVE Journal

Engineering

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Ingénierie

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