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 anerkjenner takknemlig støtte fra National Research Foundation of Korea (NRF) stipend finansiert av den koreanske regjeringen (MSIT) (No.2022R1F1A1074266).

Den stimuli-responsive myke griperen var sammensatt av tre forskjellige typer hydrogeler: ikke-stimuli-responsivt akrylamid (AAm)-basert hydrogel, termisk responsiv N-isopropylakrylamid (NIPAM)-basert hydrogel og magnetisk responsiv ferrogel (figur 1). De tre hydrogelblekkene ble fremstilt ved å modifisere tidligere publiserte metoder 29,30,31. Dataene som presenteres i denne studien er ti...

<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>

Når det gjelder materialvalg for den myke hybridgriperen, ble et multiresponsivt materialsystem sammensatt av en ikke-stimuli-responsiv AAm-basert hydrogel, en termisk responsiv NIPAM-basert hydrogel og en magnetisk responsiv ferrogel først forberedt for å la den myke hybridgriperen utvise programmerbar bevegelse og formtransformasjon. På grunn av deres termisk responsive hevelses-deswelling egenskaper, utviser NIPAM-baserte hydrogeler bøying, folding eller rynker når de fremstilles som dobbeltlags- eller bi-strips...

Utviklingen av stimuli-responsive myke roboter er viktig fra både tekniske og intellektuelle perspektiver. Begrepet stimuli-responsive myke roboter refererer generelt til enheter / systemer sammensatt av hydrogeler, polymerer, elastomerer eller hybrider som viser formendringer som svar på eksterne signaler, for eksempel varme, pH og lys 1,2,3,4. Blant de mange stimuli-responsive myke robotene utfører N-isopropylacrylamid (NIPAM) hydrogelbaserte myke roboter de ønskede oppgavene eller interaksjonene ved hjelp av spontan formtransformasjon 5,6,7,8. Generelt viser NIPAM-baserte hydrogeler en lav kritisk løsningstemperatur (LCST), og hevelse (hydrofilitet under LCST) og deswelling (hydrofobisitet over LCST) egenskapsendringer forekommer inne i hydrogelsystemet nær fysiologiske temperaturer mellom 32 ° C og 36 ° C 9,10. Denne reversible hevelsesdeswelling-mekanismen nær det skarpe kritiske overgangspunktet til LCST kan generere formtransformasjonen av NIPAM-baserte hydrogel myke roboter2. Som et resultat har termisk responsive NIPAM-baserte hydrogel myke roboter forbedret operasjoner, for eksempel å gå, gripe, krype og sensing, som er viktige i multifunksjonelle manipulatorer, helsevesen og smarte sensorer 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Ved fremstilling av stimuli-responsive myke roboter har tredimensjonale (3D) utskriftsmetoder blitt mye brukt ved hjelp av en direkte lag-for-lag additiv prosess22. En rekke materialer, som plast og myke hydrogeler, kan skrives ut med 3D-printing23,24. Nylig har 4D-utskrift blitt mye fremhevet som en innovativ teknikk for å lage formprogrammerbare myke roboter25,26,27,28. Denne 4D-utskriften er basert på 3D-utskrift, og nøkkelkarakteristikken ved 4D-utskrift er at 3D-strukturene kan endre former og egenskaper over tid. Kombinasjonen av 4D-utskrift og stimuli-responsive hydrogeler har gitt en annen innovativ rute for å skape smarte 3D-enheter som endrer form over tid når de utsettes for passende eksterne stimulusutløsere, for eksempel varme, pH, lys og magnetiske og elektriske felt25,26,27,28 . Utviklingen av denne 4D-utskriftsteknikken ved hjelp av ulike stimuli-responsive hydrogeler har gitt en mulighet for fremveksten av formtransformerbare myke roboter som viser multifunksjonalitet med forbedrede responshastigheter og tilbakemeldingsfølsomhet.
Denne studien beskriver opprettelsen av en 3D-utskriftsdrevet termisk responsiv mykgriper som viser formtransformasjon og bevegelse. Spesielt kan den spesifikke prosedyren som er beskrevet, brukes til å fremstille forskjellige multifunksjonelle myke roboter med generelle størrelser fra millimeter til centimeter lengdeskalaer. Til slutt forventes det at denne protokollen kan brukes på flere felt, inkludert myke roboter (f.eks. Smarte aktuatorer og bevegelsesroboter), fleksibel elektronikk (f.eks. Optoelektriske sensorer og lab-on-a-chip) og helsevesen (f.eks. Legemiddelleveringskapsler, biopsiverktøy og kirurgisk utstyr).

<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 nåværende protokollen beskriver opprettelsen av firedimensjonale (4D), tidsavhengige, formforanderlige, stimuli-responsive myke roboter ved hjelp av en tredimensjonal (3D) bioutskriftsmetode. Nylig har 4D-utskriftsteknikker blitt mye foreslått som innovative nye metoder for å utvikle formtransformerbare myke roboter. Spesielt er 4D-tidsavhengig formtransformasjon en viktig faktor i myk robotikk fordi den tillater effektive funksjoner å skje til rett tid og sted når de utløses av eksterne signaler, for eksempel varme, pH og lys. I tråd med dette perspektivet kan stimuli-responsive materialer, inkludert hydrogeler, polymerer og hybrider, skrives ut for å realisere smarte formtransformerbare myke robotsystemer. Den nåværende protokollen kan brukes til å fremstille termisk responsive myke gripere sammensatt av N-isopropylacrylamide (NIPAM)-baserte hydrogeler, med totale størrelser som spenner fra millimeter til centimeter i lengde. Det forventes at denne studien vil gi nye retninger for å realisere intelligente myke robotsystemer for ulike applikasjoner i smarte manipulatorer (f.eks. Gripere, aktuatorer og pick-and-place-maskiner), helsevesen (f.eks. Narkotikakapsler, biopsiverktøy og mikrokirurgi) og elektronikk (f.eks. Bærbare sensorer og fluidikk).

Den NIPAM-baserte hydrogelen ble først og fremst vurdert ved utforming av den termisk responsive myke griperen på grunn av sin skarpe LCST, noe som får den til å vise betydelige hevelsesegenskaper 9,10. I tillegg ble den AAm-baserte hydrogelen ansett som et ikke-stimuli-responsivt system for å maksimere formtransformasjonen til den myke hybridgriperen samtidig som delamineringen av grensesnittet ble redusert under flere oppvarmings- og kjøleprosesser. I til...

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 manuskriptet beskriver en 4D-utskriftsstrategi for å fremstille intelligente stimuli-responsive myke roboter. Denne tilnærmingen kan gi grunnlag for å lette realiseringen av intelligente formtransformerbare myke robotsystemer, inkludert smarte manipulatorer, elektronikk og helsevesen.

Firedimensjonal utskrift av stimuli-responsive hydrogelbaserte myke roboter

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

Den presenterte protokollen forventes å gi nye retninger for å realisere intelligente, formtransformerbare, myke robotsystemer for ulike applikasjoner. Den tidsavhengige 4D-utskriftsprosessen kan skape forskjellige stimuli-responsive myke roboter, med et bredt størrelsesområde, fra millimeter til centimeter. Denne 4D-bioprintingsteknikken kan utvides mot målrettet legemiddellevering, mikrokirurgi og mindre invasiv biopsi i helsevesenet.Tekstinformasjon kan skape tvetydighet for leserne, så visuelle demonstrasjoner er avgjørende for å oppnå de tiltenkte resultatene. For å forberede de ikke-stimuli-responsive akrylamidbaserte hydrogelblekkene, fortynn akrylamid, tverrbindingen og fotoinitiatoren i avionisert vann ved hjelp av en magnetisk omrører i 24 timer. For å forberede stimuliresponsive N-isopropylacrylamidbaserte hydrogelblekk, fortynn N-isopropylacrylamid, propyl N-isopropylacrylamid, og fotoinitiatoren, i avionisert vann, ved hjelp av en magnetisk omrører i 24 timer.Tilsett deretter fargestoff til akrylamidgel, og N-isopropylakrylamidgel, og vortex skjæremiddelet, Laponite RD, ved 1150 rotasjoner per minutt, eller minst seks timer, til de er helt fortynnet. Følg deretter instruksjonene i teksten for å forberede hydrogelblekket. For å forberede ferrogelblekkene, må du først lage A-løsning og B-løsning i henhold til protokollen beskrevet i teksten.For å utføre polymerisasjon, overfør 200 mikroliter av A-løsningen og fem mikroliter av B-løsningen til et mikrosentrifugerør og hvirvel blandingen i 20 sekunder. Ved hjelp av Slicer-programvaren genererer du en G-kode for hver struktur som tidligere er opprettet ved optimalisering av griperdesignet. Tilordne en laghøyde på 0,4 millimeter.En fyllingstetthet på 75 % og en utskriftshastighet på 10 millimeter per sekund. Rediger G-kodefilen ved hjelp av doble skrivehoder. Lagre G-kodefilen på et sikkert digitalt eller SD-kort, før du kobler den til 3D-skriveren.Etter å ha koblet de akrylamidbaserte og N-isopropylakrylamidbaserte hydrogelpatronene til de respektive dysene, må du kontrollere om de to skrivehodene til patronene er i samme posisjon på Z-aksen. Kalibrer deretter X- og Y-koordinatene nøyaktig for å unngå feiljusteringer mellom de to dysene. Sett nå utskriftstrykket til 20 til 25 kilopascal for akrylamidbasert hydrogel, og til 10 til 15 kilopascal for N-isopropylakrylamidbasert hydrogel.Gjenta trinnene etter at hver prøve er fullstendig skrevet ut, for å skrive ut den neste. Før UV-fotoherding injiserer du det magnetfeltresponsive ferrogelblekket i det målrettede tynne hullområdet på den 3D-printede myke griperen ved hjelp av en sprøyte. Etter injeksjonen av ferrogelen, plasser griperstrukturen inne i et UV-kildekammer, med en bølgelengde på 365 nanometer, i seks minutter.Etter UV-fotoherding, overfør griperstrukturen til et avionisert vannbad, i minst 24 timer, til den når en fullstendig hovent likevektstilstand. Den myke hybridgriperen utførte en pick and place-oppgave via termisk responsiv aktivering og magnetisk bevegelse. Når temperaturen økte over den lavere kritiske løsningstemperaturen, eller LCST, deswelled N-isopropylacrylamidbasert hydrogel og krympet og lukket gripespissen.I motsetning til dette åpnet griperspissen når temperaturen sank under LCST, på grunn av hevelse i N-isopropylakrylamidbasert hydrogel. Griperen demonstrerte også en pick and place-oppgave inne i en 3D-printet prøvelabyrint fylt med avionisert vann. Griperen, i sin spissåpne tilstand, ble styrt av en ekstern magnet fra startposisjon til mållakserognen.Da temperaturen nådde 40 grader, lukket spissen av griperen seg for å gripe lakserognen. Griperen ble ledet ut av labyrinten mens den holdt lakserognen, og den slapp vellykket den intakte lakserognen på målområdet i spiss åpen tilstand, ved romtemperatur på 25 grader Celsius. Eksperimentell forsiktighet må tas under kalibrering av koordinatpunktene mellom de to dysene.Denne prosessen krever mye øvelse. Denne spesifikke protokollen gir grunnlag for ytterligere betydelige fremskritt i realiseringen av nøyaktig kontrollerbare, svært følsomme og multifunksjonelle smarte stimuli-responsive myke roboter.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Micro 3D Printing Ved hjelp av en digital projektor og dens anvendelse i studiet av myke 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 basert Eksperimentell Prosedyre for Brain-Robot Interaksjon med menneskelignende roboter

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

Digitaltrykk av Titanium Dioxide for Dye Overfølsomme Solar Cells

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-utskrift av biomolekylære Modeller for forskning og pedagogikk

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

Fabrikasjon av myke pneumatiske nettverk aktuatorer med skrå 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

Skalerbar stempeltrykk og fabrikasjon av Hemiwicking overflater

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 utskrift for fabrikasjon av smarte 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

Studere store Amplitude oscillasjon skjær responsen av myke 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-utskrift av fantomer for å simulere biologisk vev

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

Rask fremstilling av tynne, myke pneumatiske aktuatorer og roboter

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 ...