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

Författarna erkänner tacksamt stöd från National Research Foundation of Korea (NRF) -bidrag finansierat av den koreanska regeringen (MSIT) (nr 2022R1F1A1074266).

Den stimuliresponsiva mjuka griparen bestod av tre olika typer av hydrogeler: icke-stimuliresponsiv akrylamid (AAm)-baserad hydrogel, termiskt responsiv N-isopropylakrylamid (NIPAM)-baserad hydrogel och magnetisk responsiv ferrogel (figur 1). De tre hydrogelbläcken framställdes genom att modifiera tidigare publicerade metoder 29,30,31. De data som presenteras i denna studie är tillgängl...

<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>

När det gäller materialval för den mjuka hybridgriparen förbereddes först ett multiresponsivt materialsystem bestående av en icke-stimuli-responsiv AAm-baserad hydrogel, en termiskt lyhörd NIPAM-baserad hydrogel och en magnetresponsiv ferrogel för att låta den mjuka hybridgriparen uppvisa programmerbar rörelse och formtransformation. På grund av deras termiskt lyhörda svullnadssvullnadsegenskaper uppvisar NIPAM-baserade hydrogeler böjning, vikning eller skrynkling när de tillverkas som dubbelskikts- eller t...

Utvecklingen av stimuliresponsiva mjuka robotar är viktig ur både tekniska och intellektuella perspektiv. Termen stimuli-responsiva mjuka robotar avser i allmänhet enheter / system som består av hydrogeler, polymerer, elastomerer eller hybrider som uppvisar formförändringar som svar på yttre signaler, såsom värme, pH och ljus 1,2,3,4. Bland de många stimuli-responsiva mjuka robotarna utför N-isopropylakrylamid (NIPAM) hydrogelbaserade mjuka robotar de önskade uppgifterna eller interaktionerna med hjälp av spontan formtransformation 5,6,7,8. I allmänhet uppvisar de NIPAM-baserade hydrogelerna en låg kritisk lösningstemperatur (LCST), och svullnad (hydrofilicitet under LCST) och avsvällande (hydrofobicitet över LCST) egenskapsförändringar inträffar inuti hydrogelsystemet nära fysiologiska temperaturer mellan 32 ° C och 36 ° C 9,10. Denna reversibla svullnad-avsvällningsmekanism nära den skarpa kritiska övergångspunkten för LCST kan generera formomvandlingen av NIPAM-baserade hydrogelmjuka robotar2. Som ett resultat har termiskt lyhörda NIPAM-baserade hydrogelmjuka robotar förbättrat operationer, såsom promenader, grepp, krypning och avkänning, vilket är viktigt i multifunktionella manipulatorer, sjukvårdssystem och smarta sensorer 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Vid tillverkning av stimuli-responsiva mjuka robotar har tredimensionella (3D) utskriftsmetoder använts i stor utsträckning med hjälp av en direkt lager-för-lager-additiv process22. En mängd olika material, som plast och mjuka hydrogeler, kan skrivas ut med 3D-utskrift23,24. Nyligen har 4D-utskrift lyfts fram som en innovativ teknik för att skapa formprogrammerbara mjuka robotar25,26,27,28. Denna 4D-utskrift är baserad på 3D-utskrift, och det viktigaste kännetecknet för 4D-utskrift är att 3D-strukturerna kan ändra sina former och egenskaper över tiden. Kombinationen av 4D-utskrift och stimuli-responsiva hydrogeler har gett en annan innovativ väg för att skapa smarta 3D-enheter som ändrar form över tid när de utsätts för lämpliga externa stimulansutlösare, såsom värme, pH, ljus och magnetiska och elektriska fält25,26,27,28 . Utvecklingen av denna 4D-utskriftsteknik med olika stimuli-responsiva hydrogeler har gett en möjlighet för framväxten av formtransformerbara mjuka robotar som visar multifunktionalitet med förbättrade svarshastigheter och återkopplingskänslighet.
Denna studie beskriver skapandet av en 3D-utskriftsdriven termiskt responsiv mjuk gripare som visar formtransformation och rörelse. I synnerhet kan den specifika proceduren som beskrivs användas för att tillverka olika multifunktionella mjuka robotar med övergripande storlekar som sträcker sig från millimeter till centimeterlängdsskalor. Slutligen förväntas detta protokoll kunna tillämpas inom flera områden, inklusive mjuka robotar (t.ex. smarta ställdon och rörelserobotar), flexibel elektronik (t.ex. optoelektriska sensorer och lab-on-a-chip) och sjukvårdssystem (t.ex. läkemedelsleveranskapslar, biopsiverktyg och kirurgiska apparater).

<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

Detta protokoll beskriver skapandet av fyrdimensionella (4D), tidsberoende, formförändrade, stimuliresponsiva mjuka robotar med hjälp av en tredimensionell (3D) bioutskriftsmetod. Nyligen har 4D-utskriftstekniker föreslagits i stor utsträckning som innovativa nya metoder för att utveckla formtransformerbara mjuka robotar. I synnerhet är 4D-tidsberoende formtransformation en viktig faktor i mjuk robotik eftersom den gör att effektiva funktioner kan uppstå vid rätt tidpunkt och plats när de utlöses av externa signaler, såsom värme, pH och ljus. I linje med detta perspektiv kan stimuliresponsiva material, inklusive hydrogeler, polymerer och hybrider, skrivas ut för att förverkliga smarta formtransformerbara mjuka robotsystem. Det nuvarande protokollet kan användas för att tillverka termiskt responsiva mjuka gripdon som består av N-isopropylakrylamid (NIPAM) -baserade hydrogeler, med totala storlekar från millimeter till centimeter i längd. Det förväntas att denna studie kommer att ge nya riktningar för att förverkliga intelligenta mjuka robotsystem för olika applikationer i smarta manipulatorer (t.ex. gripdon, ställdon och pick-and-place-maskiner), sjukvårdssystem (t.ex. läkemedelskapslar, biopsiverktyg och mikrokirurgier) och elektronik (t.ex. bärbara sensorer och fluidik).

Den NIPAM-baserade hydrogelen beaktades främst vid utformningen av den termiskt responsiva mjuka griparen på grund av dess skarpa LCST, vilket gör att den uppvisar betydande svullnadsavsvällande egenskaper 9,10. Dessutom betraktades den AAm-baserade hydrogelen som ett icke-stimuli-responsivt system för att maximera formomvandlingen av den mjuka hybridgriparen samtidigt som delamineringen av gränssnittet reducerades under flera uppvärmnings- och kylningspro...

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

Detta manuskript beskriver en 4D-utskriftsstrategi för tillverkning av intelligenta stimuli-responsiva mjuka robotar. Detta tillvägagångssätt kan ge grunden för att underlätta förverkligandet av intelligenta formtransformerbara mjuka robotsystem, inklusive smarta manipulatorer, elektronik och sjukvårdssystem.

Fyrdimensionell utskrift av stimuli-responsiva hydrogelbaserade mjuka robotar

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

Det presenterade protokollet förväntas ge nya riktningar för att förverkliga intelligenta, formtransformerbara, mjuka robotsystem för olika applikationer. Den tidsberoende 4D-utskriftsprocessen kan skapa olika stimuli-responsiva mjuka robotar, med ett brett storleksintervall, från millimeter till centimeter. Denna 4D-bioprintningsteknik kan utökas mot riktad läkemedelsleverans, mikrokirurgi och mindre invasiv biopsi inom sjukvårdsteknik.Endast textinformation kan skapa tvetydighet för läsarna, så visuella demonstrationer är viktiga för att uppnå de avsedda resultaten. För att förbereda de icke-stimuliresponsiva akrylamidbaserade hydrogelbläcken, späd akrylamiden, tvärbindaren och fotoinitiatorn i avjoniserat vatten med hjälp av en magnetomrörare i 24 timmar. För att förbereda de stimuli responsiva N-isopropylakrylamidbaserade hydrogelbläcken, späd N-isopropylakrylamid, propyl N-isopropylakrylamid och fotoinitiatorn i avjoniserat vatten med användning av en magnetomrörare i 24 timmar.Tillsätt sedan färgämne till akrylamidgel och N-isopropylakrylamidgel och virvla skjuvmedlet Laponite RD vid 1150 rotationer per minut, eller minst sex timmar, tills de är helt utspädda. Följ sedan instruktionerna i texten för att förbereda hydrogelbläcket. För beredning av ferrogelbläcken, förbered först A-lösning och B-lösning enligt protokollet som beskrivs i texten.För att utföra polymerisation, överför 200 mikroliter av A-lösningen och fem mikroliter av B-lösningen till ett mikrocentrifugrör och virvla blandningen i 20 sekunder. Använd Slicer-programvaran för att generera en G-kod för varje struktur som tidigare skapats genom optimering av griparens design. Tilldela en lagerhöjd på 0,4 millimeter.En fyllnadstäthet på 75% Och en utskriftshastighet på 10 millimeter per sekund. Redigera G-kodfilen med dubbla skrivhuvuden. Spara G-kodfilen på ett säkert digitalt kort eller SD-kort innan du ansluter den till 3D-skrivaren.När du har anslutit de akrylamidbaserade och N-isopropylakrylamidbaserade hydrogelpatronerna till respektive munstycken, kontrollera om patronernas två skrivhuvuden är i samma position på Z-axeln. Kalibrera sedan X- och Y-koordinaterna exakt för att undvika feljusteringar mellan de två munstyckena. Ställ nu in trycktrycket på 20 till 25 kilopascal för den akrylamidbaserade hydrogelen och på 10 till 15 kilopascal för den N-isopropylakrylamidbaserade hydrogelen.Upprepa stegen efter att varje prov har skrivits ut helt för att skriva ut nästa. Innan UV-fotokurering, injicera de magnetfältresponsiva ferrogelbläcken i det riktade tunna hålområdet på den 3D-tryckta mjuka griparen med en spruta. Efter injektionen av ferrogenelen, placera griparstrukturen inuti en UV-källkammare, med en våglängd på 365 nanometer, i sex minuter.Efter UV-fotohärdning, överför griparstrukturen till ett avjoniserat vattenbad i minst 24 timmar tills det når ett helt svullet jämviktstillstånd. Den mjuka hybridgriparen utförde en pick and place-uppgift via termiskt responsiv manövrering och magnetisk rörelse. När temperaturen ökade över den lägre kritiska lösningstemperaturen, eller LCST, svällde den N-isopropylakrylamidbaserade hydrogelen och krympte och stängde gripspetsen.Däremot öppnades griparspetsen när temperaturen sjönk under LCST på grund av svullnad av den N-isopropylakrylamidbaserade hydrogelen. Griparen demonstrerade också en pick and place-uppgift i en 3D-tryckt provlabyrint fylld med avjoniserat vatten. Griparen, i sitt spetsöppna tillstånd, styrdes av en yttre magnet från startpositionen till mållaxrom.När temperaturen nådde 40 grader stängdes gripspetsen för att greppa laxrommen. Griparen leddes ut ur labyrinten medan han höll laxromen, och den släppte framgångsrikt den intakta laxrommen vid målområdet i ett spetsöppet tillstånd, vid rumstemperatur på 25 grader Celsius. Experimentell försiktighet måste vidtas vid kalibrering av koordinatpunkterna mellan de två munstyckena.Denna process kräver mycket övning. Detta specifika protokoll ger grunden för ytterligare betydande framsteg i förverkligandet av exakt kontrollerbara, mycket känsliga och multifunktionella smarta stimuli-responsiva mjuka robotar.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Micro 3D Printing Med hjälp av en digital projektor och dess tillämpning i studien av mjuka material Mekanik

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-baserade Försöksförfarande för Brain-Robot Interaktion med Humanoid robotar

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

Digital Printing titandioxid för grätzelsolcell

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 Printing av biomolekylära modeller för forskning och pedagogik

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

Tillverkning av mjuka pneumatiska nätverk ställdon med sneda 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

Skalbar stämpelutskrift och tillverkning av Hemiwicking ytor

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 för tillverkning av smarta 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

Studera stor amplitud oscillerande skjuvning svar av mjuka material

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

Multimodala 3D-utskrifter av fantomer för att simulera biologisk vävnad

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

Snabb tillverkning av tunna mjuka pneumatiska manöverdon och robotar

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 ...