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

Авторы с благодарностью отмечают поддержку гранта Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемого корейским правительством (MSIT) (No 2022R1F1A1074266).

Чувствительный к стимулам мягкий захват состоял из трех различных типов гидрогелей: гидрогель на основе акриламида (AAm) без стимуляции, гидрогель на основе термочувствительного N-изопропилакриламида (NIPAM) и магнитный феррогель (рисунок 1). Три гидрогелевые чернила б?...

<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>

Что касается выбора материала для мягкого гибридного захвата, впервые была подготовлена многочувствительная система материалов, состоящая из гидрогеля на основе AAm, не реагирующего на стимулы, термочувствительного гидрогеля на основе NIPAM и магнитно-чувствительного феррогеля, чтобы п?...

Разработка чувствительных к стимулам мягких роботов важна как с технической, так и с интеллектуальной точек зрения. Термин чувствительные к стимулам мягкие роботы обычно относится к устройствам / системам, состоящим из гидрогелей, полимеров, эластомеров или гибридов, которые демонстрируют изменения формы в ответ на внешние сигналы, такие как тепло, рН и свет 1,2,3,4. Среди множества реагирующих на стимулы мягких роботов мягкие роботы на основе гидрогеля N-изопропилакриламида (NIPAM) выполняют желаемые задачи или взаимодействия с использованием спонтанного преобразования формы 5,6,7,8. Как правило, гидрогели на основе NIPAM демонстрируют низкую критическую температуру раствора (LCST), а изменения свойств набухания (гидрофильность ниже LCST) и набухания (гидрофобность выше LCST) происходят внутри гидрогелевой системы вблизи физиологических температур между 32 ° C и 36 ° C 9,10. Этот обратимый механизм набухания-набухания вблизи резкой критической точки перехода LCST может генерировать преобразование формы мягких гидрогелевых роботов на основе NIPAM2. В результате термочувствительные гидрогелевые мягкие роботы на основе NIPAM имеют улучшенные операции, такие как ходьба, захват, ползание и зондирование, которые важны в многофункциональных манипуляторах, системах здравоохранения и интеллектуальных датчиках 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
При изготовлении чувствительных к стимулам мягких роботов широко используются подходы трехмерной (3D) печати с использованием прямого послойного аддитивного процесса22. Различные материалы, такие как пластмассы и мягкие гидрогели, могут быть напечатаны с помощью 3D-печати23,24. В последнее время 4D-печать широко освещается как инновационная техника для создания программируемых мягких роботов 25,26,27,28. Эта 4D-печать основана на 3D-печати, и ключевой характеристикой 4D-печати является то, что 3D-структуры могут менять свои формы и свойства с течением времени. Сочетание 4D-печати и гидрогелей, реагирующих на стимулы, обеспечило еще один инновационный путь для создания интеллектуальных 3D-устройств, которые со временем меняют форму при воздействии соответствующих внешних триггеров стимулов, таких как тепло, рН, свет, магнитные и электрические поля 25,26,27,28 . Разработка этой техники 4D-печати с использованием разнообразных реагирующих на стимулы гидрогелей предоставила возможность для появления формотрансформируемых мягких роботов, которые демонстрируют многофункциональность с улучшенными скоростями отклика и чувствительностью обратной связи.
Это исследование описывает создание термочувствительного мягкого захвата на основе 3D-печати, который отображает трансформацию формы и передвижение. Примечательно, что конкретная описанная процедура может быть использована для изготовления различных многофункциональных мягких роботов с общими размерами от миллиметра до сантиметра. Наконец, ожидается, что этот протокол может быть применен в нескольких областях, включая мягких роботов (например, интеллектуальные приводы и роботы для передвижения), гибкую электронику (например, оптоэлектрические датчики и лабораторию на чипе) и системы здравоохранения (например, капсулы для доставки лекарств, инструменты для биопсии и хирургические устройства).

<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

Настоящий протокол описывает создание четырехмерных (4D), зависящих от времени, изменяющих форму, реагирующих на стимулы мягких роботов с использованием трехмерного (3D) метода биопечати. В последнее время методы 4D-печати широко предлагаются в качестве инновационных новых методов разработки формообразуемых мягких роботов. В частности, 4D-трансформация формы, зависящая от времени, является важным фактором в мягкой робототехнике, поскольку она позволяет выполнять эффективные функции в нужное время и в нужном месте, когда они запускаются внешними сигналами, такими как тепло, рН и свет. В соответствии с этой перспективой материалы, реагирующие на стимулы, включая гидрогели, полимеры и гибриды, могут быть напечатаны для реализации интеллектуальных формообразуемых мягких роботизированных систем. Текущий протокол может быть использован для изготовления термочувствительных мягких захватов, состоящих из гидрогелей на основе N-изопропилакриламида (NIPAM), с общими размерами от миллиметров до сантиметров в длину. Ожидается, что это исследование предоставит новые направления для реализации интеллектуальных мягких роботизированных систем для различных применений в интеллектуальных манипуляторах (например, захваты, приводы и машины для подбора и размещения), системах здравоохранения (например, капсулы с лекарствами, инструменты для биопсии и микрохирургии) и электронике (например, носимые датчики и флюидики).

Гидрогель на основе NIPAM был в первую очередь рассмотрен при разработке термочувствительного мягкого захвата из-за его острого LCST, который заставляет его проявлять значительные набухающие свойства 9,10. Кроме того, гидрогель на основе AAm рассматривался как...

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

Эта рукопись описывает стратегию 4D-печати для изготовления интеллектуальных мягких роботов, реагирующих на стимулы. Этот подход может обеспечить основу для облегчения реализации интеллектуальных формотрансформируемых мягких роботизированных систем, включая интеллектуальные манипуляторы, электронику и системы здравоохранения.

Четырехмерная печать чувствительных к стимулам мягких роботов на основе гидрогеля

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

Ожидается, что представленный протокол предоставит новые направления для реализации интеллектуальных, формообразуемых, мягких роботизированных систем для различных применений. 4D-процесс печати, зависящий от времени, может создавать разнообразных чувствительных к стимулам мягких роботов с широким диапазоном размеров, от миллиметров до сантиметров. Этот метод 4D-биопечати может быть расширен до целевой доставки лекарств, микрохирургии и менее инвазивной биопсии в области здравоохранения.Текстовая информация может создать двусмысленность для читателей, поэтому визуальные демонстрации необходимы для достижения намеченных результатов. Чтобы приготовить не реагирующие на стимулы гидрогелевые чернила на основе акриламида, разбавьте акриламид, поперечный линкер и инициатор фото в деионизированной воде с помощью магнитной мешалки в течение 24 часов. Чтобы приготовить чувствительные к стимулам N-изопропилакриламид гидрогелевые чернила, разводят N-изопропилакриламид, пропил N-изопропилакриламид и фотоинициатор в деионизированной воде, используя магнитную мешалку в течение 24 часов.Затем добавляют краситель к акриламидному гелю и N-изопропилакриламидному гелю и вращают режущий агент, лапонит RD, со скоростью 1150 оборотов в минуту или, по крайней мере, шесть часов, пока они не будут полностью разбавлены. Затем следуйте инструкциям, приведенным в тексте, чтобы приготовить гидрогелевые чернила. Для приготовления феррогельных чернил сначала готовят раствор А и раствор В согласно протоколу, описанному в тексте.Для проведения полимеризации переложите 200 микролитров раствора А и пять микролитров раствора В в микроцентрифужную трубку и вихрьте смесь в течение 20 секунд. Используя программное обеспечение Slicer, сгенерируйте G-код для каждой структуры, ранее созданной путем оптимизации конструкции захвата. Назначают слой высотой 0,4 мм.Плотность заполнения 75% и скорость печати 10 миллиметров в секунду. Отредактируйте файл кода G с помощью двух печатающих головок. Сохраните файл G-кода на защищенной цифровой или SD-карте перед подключением к 3D-принтеру.После подключения гидрогелевых картриджей на основе акриламида и N-изопропилакриламида к соответствующим соплам проверьте, находятся ли две печатающие головки картриджей в одном и том же положении на оси Z. Затем точно откалибруйте координаты X и Y, чтобы избежать перекосов между двумя соплами. Теперь установите печатное давление на уровне от 20 до 25 килопаскалей для гидрогеля на основе акриламида и от 10 до 15 килопаскалей для гидрогеля на основе N-изопропилакриламида.Повторите шаги после полной печати каждого образца, чтобы напечатать следующий. Перед УФ-фотоотверждением введите феррогелевые чернила, реагирующие на магнитное поле, в целевую область тонкого отверстия 3D-печатного мягкого захвата с помощью шприца. После инъекции феррогеля поместите захватную структуру внутрь камеры источника ультрафиолета, имеющей длину волны 365 нанометров, в течение шести минут.После УФ-фотоотверждения перенесите структуру захвата на деионизированную водяную баню в течение не менее 24 часов, пока она не достигнет полностью опухшего равновесного состояния. Мягкий гибридный захват выполнял задачу подбора и размещения с помощью термочувствительного привода и магнитного локомоции. Когда температура увеличивалась выше более низкой критической температуры раствора, или LCST, гидрогель на основе N-изопропилакриламида разлагался и сжимался, закрывая наконечник захвата.Напротив, наконечник захвата открывался, когда температура снижалась ниже LCST, из-за набухания гидрогеля на основе N-изопропилакриламида. Захват также продемонстрировал задачу выбора и размещения внутри 3D-печатного образца лабиринта, заполненного деионизированной водой. Захват, в открытом состоянии кончика, направлялся внешним магнитом из своего начального положения к целевой икре лосося.Когда температура достигла 40 градусов по Цельсию, кончик захвата закрылся, чтобы схватить икру лосося. Захват был выведен из лабиринта, удерживая икру лосося, и он успешно выпустил неповрежденную икру лосося в целевом районе в открытом состоянии, при комнатной температуре 25 градусов по Цельсию. Необходимо проявлять экспериментальную осторожность при калибровке координатных точек между двумя соплами.Этот процесс требует большой практики. Этот специфический протокол обеспечивает основу для дальнейших значительных достижений в реализации точно управляемых, высокочувствительных и многофункциональных интеллектуальных мягких роботов, реагирующих на стимулы.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Micro 3D-печати с использованием цифрового проектора и его применение при исследовании мягких механика материалов

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 основе экспериментальной процедуры для мозгов Robot взаимодействия с человекоподобных роботов

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

Цифровая печать диоксида титана для ячейка гретцеля

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 печать биомолекулярной модели для исследования и педагогики

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

Изготовление мягких пневмосети приводы с наклонной камеры

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

Масштабируемые печати и изготовления Hemiwicking поверхностей

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

Гибридная печать для изготовления интеллектуальных датчиков

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

Изучая большой амплитуды колебательной сдвиг ответ из мягких материалов

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

Мультимодальная 3D печать фантомов для имитации биологических тканей

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

Быстрое производство тонких мягких пневматических актуаторов и роботов

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 ...