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

Los autores agradecen el apoyo de la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el gobierno coreano (MSIT) (No.2022R1F1A1074266).

La pinza suave sensible a estímulos estaba compuesta por tres tipos diferentes de hidrogeles: hidrogel a base de acrilamida (AAm) no sensible a estímulos, hidrogel a base de N-isopropil acrilamida (NIPAM) térmicamente sensible y ferrogel sensible magnético (Figura 1). Las tres tintas de hidrogel fueron preparadas modificando métodos previamente publicados 29,30,31. Los datos presentado...

<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>

En términos de selección de materiales para la pinza híbrida blanda, se preparó por primera vez un sistema de material de respuesta múltiple compuesto por un hidrogel a base de AAm que no responde a estímulos, un hidrogel basado en NIPAM térmicamente sensible y un ferrogel de respuesta magnética para permitir que la pinza híbrida suave exhiba locomoción programable y transformación de forma. Debido a sus propiedades de hinchazón-deshinchazón térmicamente sensibles, los hidrogeles a base de NIPAM exhiben fle...

El desarrollo de robots blandos sensibles a estímulos es importante tanto desde el punto de vista técnico como intelectual. El término robots blandos sensibles a estímulos generalmente se refiere a dispositivos / sistemas compuestos de hidrogeles, polímeros, elastómeros o híbridos que exhiben cambios de forma en respuesta a señales externas, como calor, pH y luz 1,2,3,4. Entre los muchos robots blandos sensibles a estímulos, los robots blandos basados en hidrogel de N-isopropilacrilamida (NIPAM) realizan las tareas o interacciones deseadas utilizando la transformación espontánea de formas 5,6,7,8. En general, los hidrogeles basados en NIPAM exhiben una baja temperatura crítica de solución (LCST), y la hinchazón (hidrofilicidad por debajo del LCST) y la deshinchazón (hidrofobicidad por encima del LCST) ocurren cambios en las propiedades dentro del sistema de hidrogel cerca de temperaturas fisiológicas entre 32 °C y 36 °C 9,10. Este mecanismo reversible de hinchamiento-hinchamiento cerca del punto crítico de transición agudo del LCST puede generar la transformación de la forma de los robots blandos de hidrogel basados en NIPAM2. Como resultado, los robots blandos de hidrogel basados en NIPAM térmicamente sensibles han mejorado las operaciones, como caminar, agarrar, gatear y detectar, que son importantes en manipuladores multifuncionales, sistemas de atención médica y sensores inteligentes 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
En la fabricación de robots blandos sensibles a estímulos, los enfoques de impresión tridimensional (3D) se han empleado ampliamente utilizando un proceso aditivo directo capa por capa22. Una variedad de materiales, como plásticos e hidrogeles blandos, se pueden imprimir con impresión3D 23,24. Recientemente, la impresión 4D ha sido ampliamente destacada como una técnica innovadora para crear robots blandos programables con forma25,26,27,28. Esta impresión 4D se basa en la impresión 3D, y la característica clave de la impresión 4D es que las estructuras 3D pueden cambiar sus formas y propiedades con el tiempo. La combinación de impresión 4D e hidrogeles sensibles a estímulos ha proporcionado otra ruta innovadora para crear dispositivos 3D inteligentes que cambian de forma con el tiempo cuando se exponen a desencadenantes de estímulos externos apropiados, como calor, pH, luz y campos magnéticos y eléctricos25,26,27,28 . El desarrollo de esta técnica de impresión 4D utilizando diversos hidrogeles sensibles a estímulos ha brindado una oportunidad para la aparición de robots blandos transformables en forma que muestran multifuncionalidad con velocidades de respuesta mejoradas y sensibilidad de retroalimentación.
Este estudio describe la creación de una pinza suave térmicamente sensible impulsada por impresión 3D que muestra la transformación de la forma y la locomoción. En particular, el procedimiento específico descrito se puede utilizar para fabricar varios robots blandos multifuncionales con tamaños totales que van desde las escalas de longitud milimétrica a centimétrica. Finalmente, se espera que este protocolo se pueda aplicar en varios campos, incluidos robots blandos (por ejemplo, actuadores inteligentes y robots de locomoción), electrónica flexible (por ejemplo, sensores optoeléctricos y lab-on-a-chip) y sistemas de atención médica (por ejemplo, cápsulas de administración de medicamentos, herramientas de biopsia y dispositivos quirúrgicos).

<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

El presente protocolo describe la creación de robots blandos cuatridimensionales (4D), dependientes del tiempo, cambiantes y sensibles a estímulos utilizando un método de bioimpresión tridimensional (3D). Recientemente, las técnicas de impresión 4D se han propuesto ampliamente como nuevos métodos innovadores para desarrollar robots blandos transformables en forma. En particular, la transformación de la forma 4D dependiente del tiempo es un factor esencial en la robótica blanda porque permite que las funciones efectivas ocurran en el momento y lugar adecuados cuando se activan por señales externas, como el calor, el pH y la luz. En línea con esta perspectiva, se pueden imprimir materiales sensibles a estímulos, incluidos hidrogeles, polímeros e híbridos, para realizar sistemas robóticos blandos inteligentes transformables en forma. El protocolo actual se puede utilizar para fabricar pinzas blandas térmicamente sensibles compuestas de hidrogeles a base de N-isopropilacrilamida (NIPAM), con tamaños totales que van desde milímetros hasta centímetros de longitud. Se espera que este estudio proporcione nuevas direcciones para realizar sistemas robóticos blandos inteligentes para diversas aplicaciones en manipuladores inteligentes (por ejemplo, pinzas, actuadores y máquinas de recoger y colocar), sistemas de atención médica (por ejemplo, cápsulas de medicamentos, herramientas de biopsia y microcirugías) y electrónica (por ejemplo, sensores portátiles y fluidos).

El hidrogel a base de NIPAM se consideró principalmente al diseñar la pinza suave térmicamente sensible debido a su LCST afilado, lo que hace que exhiba propiedades significativas de hinchazón-hinchazón 9,10. Además, el hidrogel basado en AAm se consideró como un sistema que no responde a estímulos para maximizar la transformación de la forma de la pinza híbrida suave al tiempo que reduce la delaminación de la interfaz durante múltiples procesos de ca...

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

Este manuscrito describe una estrategia de impresión 4D para fabricar robots blandos inteligentes sensibles a estímulos. Este enfoque puede proporcionar la base para facilitar la realización de sistemas robóticos blandos inteligentes transformables en forma, incluidos manipuladores inteligentes, electrónica y sistemas de atención médica.

Impresión en cuatro dimensiones de robots blandos a base de hidrogel sensibles a estímulos

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

Se espera que el protocolo presentado proporcione nuevas direcciones para realizar sistemas robóticos inteligentes, transformables y suaves para diversas aplicaciones. El proceso de impresión 4D dependiente del tiempo puede crear diversos robots blandos sensibles a estímulos, con un amplio rango de tamaño, desde milímetros hasta centímetros. Esta técnica de bioimpresión 4D se puede extender hacia la administración dirigida de fármacos, microcirugía y biopsia menos invasiva en ingeniería sanitaria.La información de solo texto puede crear ambigüedad para los lectores, por lo que las demostraciones visuales son esenciales para ayudar a lograr los resultados previstos. Para preparar las tintas de hidrogel a base de acrilamida que no responden a estímulos, diluya la acrilamida, el reticulante y el fotoiniciador en agua desionizada utilizando un agitador magnético durante 24 horas. Para preparar las tintas de hidrogel a base de N-isopropilacrilamida sensibles a estímulos, diluir N-isopropilacrilamida, propilo N-isopropilacrilamida, y el fotoiniciador, en agua desionizada, utilizando un agitador magnético durante 24 horas.Luego agregue un colorante al gel de acrilamida y al gel de N-isopropilacrilamida, y vortice el agente de corte, Laponite RD, a 1150 rotaciones por minuto, o al menos seis horas, hasta que estén completamente diluidos. A continuación, siga las instrucciones proporcionadas en el texto para preparar la tinta de hidrogel. Para preparar las tintas de ferrogel, primero, prepare la solución A y la solución B de acuerdo con el protocolo descrito en el texto.Para llevar a cabo la polimerización, transfiera 200 microlitros de la solución A y cinco microlitros de la solución B a un tubo de microcentrífuga y vortice la mezcla durante 20 segundos. Usando el software Slicer, genere un código G para cada estructura creada previamente mediante la optimización del diseño de la pinza. Asigne una altura de capa de 0,4 milímetros.Una densidad de relleno del 75% y una velocidad de impresión de 10 milímetros por segundo. Edite el archivo de código G con cabezales de impresión dobles. Guarde el archivo de código G en una tarjeta digital o SD segura, antes de conectarlo a la impresora 3D.Después de conectar los cartuchos de hidrogel a base de acrilamida y N-isopropilacrilamida a las boquillas respectivas, compruebe si los dos cabezales de impresión de los cartuchos están en la misma posición en el eje Z. Luego calibre las coordenadas X e Y con precisión, para evitar desalineaciones entre las dos boquillas. Ahora, establezca la presión de impresión en 20 a 25 kilopascales para el hidrogel a base de acrilamida, y en 10 a 15 kilopascales para el hidrogel a base de N-isopropilacrilamida.Repita los pasos después de que cada muestra esté completamente impresa, para imprimir la siguiente. Antes del fotocurado UV, inyecte las tintas de ferrogel sensibles al campo magnético en el área de orificio delgado objetivo de la pinza suave impresa en 3D con una jeringa. Después de la inyección del ferrogel, coloque la estructura de la pinza dentro de una cámara de fuente UV, con una longitud de onda de 365 nanómetros, durante seis minutos.Después del fotocurado UV, transfiera la estructura de la pinza a un baño de agua desionizado, durante al menos 24 horas, hasta que alcance un estado de equilibrio completamente hinchado. La pinza híbrida suave realizó una tarea de recogida y colocación a través de un accionamiento térmicamente sensible y locomoción magnética. Cuando la temperatura aumentó por encima de la temperatura de solución crítica más baja, o LCST, el hidrogel a base de N-isopropilacrilamida se hinchó y se encogió, cerrando la punta de la pinza.En contraste, la punta de la pinza se abrió cuando la temperatura disminuyó por debajo del LCST, debido a la hinchazón del hidrogel a base de N-isopropilacrilamida. La pinza también demostró una tarea de recoger y colocar dentro de un laberinto de muestras impreso en 3D lleno de agua desionizada. La pinza, en su estado abierto de punta, fue guiada por un imán externo desde su posición inicial hasta las huevas de salmón objetivo.Cuando la temperatura alcanzó los 40 grados centígrados, la punta de la pinza se cerró para agarrar las huevas de salmón. La pinza fue guiada fuera del laberinto mientras sostenía las huevas de salmón, y liberó con éxito las huevas de salmón intactas en el área objetivo en un estado abierto de punta, a temperatura ambiente de 25 grados centígrados. Se debe tener cuidado experimental al calibrar los puntos de coordenadas entre las dos boquillas.Este proceso requiere mucha práctica. Este protocolo específico proporciona la base para nuevos avances significativos en la realización de robots blandos controlables con precisión, altamente sensibles y multifuncionales que responden a estímulos inteligentes.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Micro 3D Impresión con un proyector digital y su aplicación en el estudio de la mecánica de materiales blandos

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 ...

Investigación

Ingeniería

SSVEP-based Experimental Procedure for Brain-Robot Interaction with Humanoid Robots

SSVEP basada Procedimiento Experimental para la interacción cerebro-Robot con Humanoid Robots

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in ...

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

Impresión digital de dióxido de titanio para células solares sensibilizadas Tinte

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

La impresión 3D de Modelos de Investigación Biomolecular y Pedagogía

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

Fabricación de actuadores de la red neumática suave con cámaras oblicuas

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

Escalable de sello de impresión y fabricación de superficies de Hemiwicking

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

Híbrido de la impresión para la fabricación de sensores inteligentes

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

Estudio de respuesta de cizalla oscilatoria de amplitud grande de materiales blandos

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

Impresión 3D multimodal de fantasmas para simular tejido biológico

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

Fabricación rápida de actuadores neumáticos blandos delgados y robots

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a ...