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

המחברים מודים על תמיכה ממענק קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF) במימון ממשלת קוריאה (MSIT) (No.2022R1F1A1074266).

האחיזה הרכה המגיבה לגירויים הורכבה משלושה סוגים שונים של הידרוג'לים: הידרוג'ל מבוסס אקרילאמיד (AAm) שאינו מגיב לגירויים, הידרוג'ל מבוסס N-איזופרופיל אקרילאמיד (NIPAM) מגיב תרמית, ופרוג'ל מגיב מגנטי (איור 1). שלושת דיו ההידרוג'ל הוכנו על ידי שינוי שיטות שפורסמו בע?...

<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>

במונחים של בחירת חומרים עבור האחיזה ההיברידית הרכה, מערכת חומרים רב-רספונסיבית המורכבת מהידרוג'ל מבוסס AAm שאינו מגיב לגירויים, הידרוג'ל מבוסס NIPAM מגיב תרמית, ופרוג'ל מגיב מגנטית הוכן לראשונה כדי לאפשר לאחיזה ההיברידית הרכה להציג שינוי תנועה וצורה הניתנים לתכנות. הודות לתכונות הנפיחות-נפיח...

הפיתוח של רובוטים רכים המגיבים לגירויים חשוב הן מבחינה טכנית והן מבחינה אינטלקטואלית. המונח רובוטים רכים המגיבים לגירויים מתייחס בדרך כלל למכשירים/מערכות המורכבים מהידרוג'לים, פולימרים, אלסטומרים או בני כלאיים המציגים שינויי צורה בתגובה לרמזים חיצוניים, כגון חום, pH ואור 1,2,3,4. בין הרובוטים הרכים הרבים המגיבים לגירויים, רובוטים רכים מבוססי הידרוג'ל מסוג N-איזופרופילאקרילמיד (NIPAM) מבצעים את המשימות או האינטראקציות הרצויות באמצעות טרנספורמציית צורה ספונטנית 5,6,7,8. באופן כללי, הידרוג'לים מבוססי NIPAM מציגים טמפרטורת תמיסה קריטית נמוכה (LCST), ונפיחות (הידרופיליות מתחת ל- LCST) והתייבשות (הידרופוביות מעל LCST) מתרחשים בתוך מערכת ההידרוג'ל בסמוך לטמפרטורות פיזיולוגיות בין 32 °C ל- 36°C 9,10 ° C. מנגנון היפוך זה של נפיחות-נפיחות ליד נקודת המעבר הקריטית החדה של ה-LCST יכול ליצור את שינוי הצורה של רובוטים רכים הידרוג'ל מבוססי NIPAM2. כתוצאה מכך, רובוטים רכים הידרוג'ל מבוססי NIPAM המגיבים תרמית שיפרו פעולות, כגון הליכה, אחיזה, זחילה וחישה, החשובים במניפולטורים רב-תכליתיים, מערכות בריאות וחיישנים חכמים 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
בייצור רובוטים רכים המגיבים לגירויים, נעשה שימוש נרחב בגישות הדפסה תלת-ממדיות (3D) באמצעות תהליך תוסף ישיר שכבה אחר שכבה22. ניתן להדפיס מגוון חומרים, כגון פלסטיק והידרוג'ל רך, בהדפסת תלת מימד23,24. לאחרונה, הדפסת 4D הודגשה בהרחבה כטכניקה חדשנית ליצירת רובוטים רכים הניתנים לתכנות צורה 25,26,27,28. הדפסה תלת-ממדית זו מבוססת על הדפסה תלת-ממדית, והמאפיין העיקרי של הדפסה ב-4D הוא שהמבנים התלת-ממדיים יכולים לשנות את הצורות והמאפיינים שלהם עם הזמן. השילוב של הדפסה בתלת-ממד והידרוג'לים המגיבים לגירויים סיפק נתיב חדשני נוסף ליצירת התקני תלת-ממד חכמים המשנים את צורתם לאורך זמן כאשר הם נחשפים לגורמי גירוי חיצוניים מתאימים, כגון חום, pH, אור ושדות מגנטיים וחשמליים25,26,27,28 . הפיתוח של טכניקת הדפסה 4D זו באמצעות הידרוג'לים מגוונים המגיבים לגירויים סיפק הזדמנות להופעתם של רובוטים רכים הניתנים לשינוי צורה המציגים רב-תכליתיות עם מהירויות תגובה משופרות ורגישות למשוב.
מחקר זה מתאר את יצירתו של אובייקט אחיזה רך בעל יכולת תגובה תרמית המונעת על-ידי הדפסה תלת-ממדית, המציג טרנספורמציה ותנועה של צורה. יש לציין כי ניתן להשתמש בהליך הספציפי המתואר כדי לייצר רובוטים רכים רב-תכליתיים שונים בגדלים הכוללים הנעים בין סולמות באורך מילימטר לסנטימטר. לבסוף, צפוי כי פרוטוקול זה יכול להיות מיושם במספר תחומים, כולל רובוטים רכים (למשל, מפעילים חכמים ורובוטי תנועה), אלקטרוניקה גמישה (למשל, חיישנים אופטואלקטריים ומעבדה על שבב) ומערכות בריאות (למשל, כמוסות אספקת תרופות, כלי ביופסיה ומכשירים כירורגיים).

<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

הפרוטוקול הנוכחי מתאר את יצירתם של רובוטים רכים ארבע-ממדיים (4D), תלויי-זמן, הניתנים לשינוי צורה, המגיבים לגירויים, באמצעות שיטת הדפסה ביולוגית תלת-ממדית (3D). לאחרונה, טכניקות הדפסה 4D הוצעו בהרחבה כשיטות חדשות וחדשניות לפיתוח רובוטים רכים הניתנים לשינוי צורה. בפרט, טרנספורמציה של צורה תלוית זמן 4D היא גורם חיוני ברובוטיקה רכה מכיוון שהיא מאפשרת לפונקציות יעילות להתרחש בזמן ובמקום הנכונים כאשר הן מופעלות על ידי רמזים חיצוניים, כגון חום, pH ואור. בהתאם לפרספקטיבה זו, ניתן להדפיס חומרים המגיבים לגירויים, כולל הידרוג'לים, פולימרים והיברידים, כדי לממש מערכות רובוטיות רכות חכמות הניתנות לשינוי צורה. ניתן להשתמש בפרוטוקול הנוכחי כדי לייצר אחיזות רכות המגיבות תרמית המורכבות מהידרוג'לים מבוססי N-איזופרופילאקרילאמיד (NIPAM), עם גדלים כוללים הנעים בין מילימטרים לסנטימטרים באורך. צפוי כי מחקר זה יספק כיוונים חדשים למימוש מערכות רובוטיות רכות חכמות עבור יישומים שונים במניפולטורים חכמים (למשל, אחיזות, מפעילים ומכונות איסוף ומקום), מערכות בריאות (למשל, כמוסות תרופות, כלי ביופסיה ומיקרו-כירורגיה), ואלקטרוניקה (למשל, חיישנים לבישים ונוזלים).

הידרוג'ל מבוסס NIPAM נלקח בחשבון בעיקר בעת תכנון האחיזה הרכה המגיבה תרמית בשל ה-LCST החד שלו, מה שגורם לו להפגין תכונות משמעותיות של נפיחות-נפיחות 9,10. בנוסף, ההידרוג'ל מבוסס ה-AAm נחשב כמערכת שאינה מגיבה לגירויים כדי למקסם את שינוי הצורה של האחיזה ההיברידית הרכה תו...

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

כתב יד זה מתאר אסטרטגיית הדפסה בתלת-ממד לייצור רובוטים רכים חכמים המגיבים לגירויים. גישה זו יכולה לספק את הקרקע כדי להקל על מימושן של מערכות רובוטיות רכות חכמות הניתנות לשינוי צורה, כולל מניפולטורים חכמים, אלקטרוניקה ומערכות בריאות.

הדפסה ארבע-ממדית של רובוטים רכים מבוססי הידרוג'ל המגיבים לגירויים

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

הפרוטוקול המוצג צפוי לספק כיוונים חדשים למימוש מערכות רובוטיות רכות חכמות, ניתנות לשינוי צורה ורכות עבור יישומים שונים. תהליך ההדפסה התלת-ממדי התלוי בזמן יכול ליצור רובוטים רכים מגוונים המגיבים לגירויים, עם טווח גדלים רחב, ממילימטרים ועד סנטימטרים. ניתן להרחיב את טכניקת ההדפסה הביולוגית הארבע-ממדית הזו לעבר אספקת תרופות ממוקדת, מיקרו-כירורגיה וביופסיה פחות פולשנית בהנדסת בריאות.מידע טקסט בלבד יכול ליצור עמימות עבור הקוראים, ולכן הדגמות חזותיות חיוניות כדי לסייע בהשגת התוצאות המיועדות. כדי להכין את דיו ההידרוג'ל על בסיס אקרילאמיד שאינו מגיב לגירויים, דלל את האקרילאמיד, את המקשר הצולב ואת יוזם הצילום במים שעברו דה-יוניזציה באמצעות מערבל מגנטי למשך 24 שעות. כדי להכין את הגירויים מגיב N-isopropylacrylamide דיו הידרוג'ל מבוסס, לדלל N-isopropylacrylamide, פרופיל N-isopropylacrylamide, ואת יוזם הצילום, במים deionized, באמצעות מערבל מגנטי במשך 24 שעות.לאחר מכן מוסיפים צבע לג'ל אקרילאמיד, וג'ל N-איזופרופילאקרילאמיד, ומערבבים את סוכן הגזירה, Laponite RD, ב 1150 סיבובים לדקה, או לפחות שש שעות, עד שהם מדוללים לחלוטין. לאחר מכן בצע את ההוראות המופיעות בטקסט כדי להכין את דיו הידרוג'ל. להכנת דיו פרוגל, ראשית, הכינו פתרון A ופתרון B בהתאם לפרוטוקול המתואר בטקסט.כדי לבצע פילמור, להעביר 200 microliters של פתרון A, וחמישה microliters של פתרון B, לתוך צינור microcentrifuge, מערבלת את התערובת במשך 20 שניות. באמצעות תוכנת כלי הפריסה, צור קוד G עבור כל מבנה שנוצר בעבר על-ידי אופטימיזציה של עיצוב אובייקט האחיזה. הקצה גובה שכבה של 0.4 מילימטרים.צפיפות מילוי של 75% ומהירות הדפסה של 10 מילימטרים לשנייה. ערוך את קובץ קוד G באמצעות ראשי הדפסה כפולים. שמור את קובץ קוד G בכרטיס דיגיטלי או SD מאובטח, לפני חיבורו למדפסת התלת-ממד.לאחר חיבור מחסניות הידרוג'ל מבוססות אקרילאמיד ו- N-איזופרופילאקרילאמיד לחרירים המתאימים, בדוק אם שני ראשי ההדפסה של המחסניות נמצאים באותו מיקום על ציר Z. לאחר מכן כייל את קואורדינטות X ו- Y במדויק, כדי למנוע אי-התאמות בין שני החרירים. כעת, הגדר את לחץ ההדפסה על 20 עד 25 קילופסקל עבור הידרוג'ל מבוסס אקרילאמיד, ועל 10 עד 15 קילופסקל עבור הידרוג'ל מבוסס N-איזופרופילאקרילאמיד.חזור על השלבים לאחר שכל דוגמה מודפסת במלואה, כדי להדפיס את הדוגמה הבאה. לפני צילום UV, הזריקו את דיו הפרוגל המגיב לשדה המגנטי לאזור החור הדק הממוקד של האחיזה הרכה המודפסת בתלת-ממד באמצעות מזרק. לאחר הזרקת הפרוגל, מניחים את מבנה האחיזה בתוך תא מקור UV, בעל אורך גל של 365 ננומטר, למשך שש דקות.לאחר ריפוי תמונות UV, העבירו את מבנה האחיזה לאמבטיית מים שעברה דה-יוניזציה, למשך 24 שעות לפחות, עד שהיא מגיעה למצב שיווי משקל נפוח לחלוטין. האחיזה ההיברידית הרכה ביצעה משימת בחירה ומיקום באמצעות הפעלה בעלת תגובה תרמית ותנועה מגנטית. כאשר הטמפרטורה עלתה מעל טמפרטורת התמיסה הקריטית הנמוכה יותר, או LCST, ההידרוג'ל מבוסס N-איזופרופילאקרילאמיד התפורר, והתכווץ, וסגר את קצה האחיזה.לעומת זאת, קצה האחיזה נפתח כאשר הטמפרטורה ירדה מתחת ל- LCST, עקב נפיחות של הידרוג'ל מבוסס N-איזופרופילאקרילאמיד. האחיזה גם הדגימה משימת בחירה והצבה בתוך מבוך לדוגמה מודפס בתלת-ממד מלא במים שעברו דה-יוניזציה. האחיזה, במצבה הפתוח בקצה, הונחתה על ידי מגנט חיצוני מעמדת המוצא שלה אל ביצי סלמון המטרה.כאשר הטמפרטורה הגיעה ל-40 מעלות צלזיוס, קצה האחיזה נסגר כדי לאחוז את ביצי הסלמון. האחיזה הונחתה אל מחוץ למבוך תוך שהיא אוחזת בביצי הסלמון, והיא שחררה בהצלחה את ביצי הסלמון השלמות באזור המטרה במצב קצה פתוח, בטמפרטורת החדר של 25 מעלות צלזיוס. יש לנקוט בזהירות ניסיונית בעת כיול נקודות הקואורדינטות בין שני החרירים.תהליך זה דורש תרגול רב. פרוטוקול ספציפי זה מספק את הקרקע להתקדמות משמעותית נוספת במימוש רובוטים רכים הניתנים לשליטה מדויקת, רגישים מאוד ורב-תכליתיים בעלי גירויים חכמים.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

הדפסת המייקר 3D באמצעות מקרן דיגיטלי ותחולתו בחקר מכניקת חומרים רכות

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 מבוסס נוהל ניסיון לאינטראקצית המוח-רובוט עם רובוטים דמויים אדם

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

דפוס דיגיטלי של טיטניום דו-חמצני עבור לצבוע תאים סולריים רגישים

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 הדפסה של מודלים Biomolecular למחקר פדגוגיה

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

ייצור של מפעילים רשת פנאומטיים רך עם המלוכסן צ'יימברס

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

חותמת מדרגי והדפסת פבריקציה נוספת של Hemiwicking משטחים

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

היברידית הדפסה על הזיוף של חיישנים חכמים

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

לימוד התגובה הטיה מתנדנדות משרעת גדולה של חומרים רכים

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

הדפסת תלת-ממד תלת ממדית של פאנטומים להדמיית רקמה ביולוגית

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

הייצור המהיר של הפעילים הפניאומטיים והרובוטים הדקים

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 ...