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

Yazarlar, Kore hükümeti (MSIT) tarafından finanse edilen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) hibesinin (No.2022R1F1A1074266) desteğini minnetle kabul etmektedir.

Uyaranlara duyarlı yumuşak tutucu üç farklı hidrojel türünden oluşuyordu: uyaranlara duyarlı olmayan akrilamid (AAm) bazlı hidrojel, termal olarak duyarlı N-izopropil akrilamid (NIPAM) bazlı hidrojel ve manyetik duyarlı ferrogel (Şekil 1). Üç hidrojel mürekkep, daha önce yayınlanan yöntemler 29,30,31 değiştirilerek hazırlandı. Bu çalışmada sunulan veriler sorumlu ...

<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>

Yumuşak hibrit tutucu için malzeme seçimi açısından, uyaranlara duyarlı olmayan AAm bazlı bir hidrojel, termal olarak duyarlı bir NIPAM bazlı hidrojel ve manyetik duyarlı bir ferrogelden oluşan çok duyarlı bir malzeme sistemi, ilk olarak yumuşak hibrit tutucunun programlanabilir hareket ve şekil dönüşümü sergilemesine izin vermek için hazırlanmıştır. Termal olarak duyarlı şişme-şişme giderme özellikleri nedeniyle, NIPAM bazlı hidrojeller, AAm bazlı hidrojeller gibi farklı şişme özell...

Uyaranlara duyarlı yumuşak robotların geliştirilmesi hem teknik hem de entelektüel açıdan önemlidir. Uyaranlara duyarlı yumuşak robotlar terimi genellikle ısı, pH ve ışık 1,2,3,4 gibi dış ipuçlarına yanıt olarak şekil değişiklikleri sergileyen hidrojeller, polimerler, elastomerler veya melezlerden oluşan cihazları / sistemleri ifade eder. Birçok uyarana duyarlı yumuşak robot arasında, N-izopropilakrilamid (NIPAM) hidrojel bazlı yumuşak robotlar, kendiliğinden şekil dönüşümü 5,6,7,8 kullanarak istenen görevleri veya etkileşimleri gerçekleştirir. Genel olarak, NIPAM bazlı hidrojeller düşük bir kritik çözelti sıcaklığı (LCST) sergiler ve hidrojel sisteminde 32 ° C ile 36 ° C 9,10 arasındaki fizyolojik sıcaklıklara yakın şişme (LCST'nin altındaki hidrofilisite) ve şişme (LCST'nin üzerindeki hidrofobiklik) özellik değişiklikleri meydana gelir. LCST'nin keskin kritik geçiş noktasının yakınındaki bu geri dönüşümlü şişme-şişme giderme mekanizması, NIPAM bazlı hidrojel yumuşak robotların şekil dönüşümünü oluşturabilir2. Sonuç olarak, termal olarak duyarlı NIPAM tabanlı hidrojel yumuşak robotlar, çok işlevli manipülatörlerde, sağlık sistemlerinde ve akıllı sensörlerde önemli olan yürüme, kavrama, emekleme ve algılama gibi işlemleri geliştirmiştir 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Uyaranlara duyarlı yumuşak robotların üretiminde, üç boyutlu (3D) baskı yaklaşımları, doğrudan katman katman katkı maddesi süreci22 kullanılarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Plastik ve yumuşak hidrojeller gibi çeşitli malzemeler 3D baskı23,24 ile basılabilir. Son zamanlarda, 4D baskı, şekil programlanabilir yumuşak robotlar25,26,27,28 oluşturmak için yenilikçi bir teknik olarak kapsamlı bir şekilde vurgulanmıştır. Bu 4D baskı, 3D baskıya dayanır ve 4D baskının temel özelliği, 3D yapıların zaman içinde şekillerini ve özelliklerini değiştirebilmesidir. 4D baskı ve uyaranlara duyarlı hidrojellerin kombinasyonu, ısı, pH, ışık ve manyetik ve elektrik alanlar gibi uygun dış uyaran tetikleyicilerine maruz kaldığında zaman içinde şekil değiştiren akıllı 3D cihazlar oluşturmak için başka bir yenilikçi yol sağlamıştır25,26,27,28 . Çeşitli uyaranlara duyarlı hidrojeller kullanan bu 4D baskı tekniğinin geliştirilmesi, gelişmiş tepki hızları ve geri bildirim hassasiyeti ile çok işlevli gösteren şekil dönüştürülebilir yumuşak robotların ortaya çıkması için bir fırsat sağlamıştır.
Bu çalışmada, şekil dönüşümünü ve hareketi gösteren 3D baskı tahrikli termal olarak duyarlı yumuşak tutucunun oluşturulması açıklanmaktadır. Özellikle, açıklanan özel prosedür, milimetreden santimetre uzunluk ölçeklerine kadar değişen genel boyutlara sahip çeşitli çok işlevli yumuşak robotlar üretmek için kullanılabilir. Son olarak, bu protokolün yumuşak robotlar (örneğin, akıllı aktüatörler ve hareket robotları), esnek elektronikler (örneğin, optoelektrik sensörler ve çip üzerinde laboratuvar) ve sağlık sistemleri (örneğin, ilaç dağıtım kapsülleri, biyopsi araçları ve cerrahi cihazlar) dahil olmak üzere çeşitli alanlarda uygulanabilmesi beklenmektedir.

<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

Mevcut protokol, üç boyutlu (3D) bir biyo-baskı yöntemi kullanılarak dört boyutlu (4D), zamana bağlı, şekil değiştirebilen, uyaranlara duyarlı yumuşak robotların oluşturulmasını açıklamaktadır. Son zamanlarda, 4D baskı teknikleri, şekil dönüştürülebilir yumuşak robotlar geliştirmek için yenilikçi yeni yöntemler olarak kapsamlı bir şekilde önerilmiştir. Özellikle, 4D zamana bağlı şekil dönüşümü, yumuşak robotikte önemli bir faktördür, çünkü ısı, pH ve ışık gibi dış ipuçları tarafından tetiklendiğinde etkili işlevlerin doğru zamanda ve yerde gerçekleşmesine izin verir. Bu bakış açısı doğrultusunda, hidrojeller, polimerler ve hibritler de dahil olmak üzere uyaranlara duyarlı malzemeler, akıllı şekil dönüştürülebilir yumuşak robotik sistemleri gerçekleştirmek için basılabilir. Mevcut protokol, N-izopropilakrilamid (NIPAM) bazlı hidrojellerden oluşan, toplam boyutları milimetreden santimetreye kadar değişen termal olarak duyarlı yumuşak tutucular üretmek için kullanılabilir. Bu çalışmanın, akıllı manipülatörlerde (örneğin, tutucular, aktüatörler ve toplama ve yerleştirme makineleri), sağlık sistemlerinde (örneğin, ilaç kapsülleri, biyopsi araçları ve mikroameliyatlar) ve elektronikte (örneğin, giyilebilir sensörler ve akışkanlar) çeşitli uygulamalar için akıllı yumuşak robotik sistemlerin gerçekleştirilmesi için yeni yönler sağlaması beklenmektedir.

NIPAM bazlı hidrojel, keskin LCST'si nedeniyle termal olarak duyarlı yumuşak tutucuyu tasarlarken öncelikle dikkate alındı ve bu da önemli şişme-şişme giderme özellikleri sergilemesine neden oldu 9,10. Ek olarak, AAm bazlı hidrojel, çoklu ısıtma ve soğutma işlemleri sırasında arayüzün delaminasyonunu azaltırken, yumuşak hibrit tutucunun şekil dönüşümünü en üst düzeye çıkarmak için uyaranlara duyarlı olmayan bir sistem olarak k...

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

Bu makale, akıllı uyaranlara duyarlı yumuşak robotlar üretmek için bir 4D baskı stratejisini açıklamaktadır. Bu yaklaşım, akıllı manipülatörler, elektronik ve sağlık sistemleri de dahil olmak üzere akıllı şekil dönüştürülebilir yumuşak robotik sistemlerin gerçekleştirilmesini kolaylaştırmak için zemin hazırlayabilir.

Uyaranlara Duyarlı Hidrojel Tabanlı Yumuşak Robotların Dört Boyutlu Baskısı

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

Sunulan protokolün, çeşitli uygulamalar için akıllı, şekil dönüştürülebilir, yumuşak robotik sistemlerin gerçekleştirilmesi için yeni yönler sağlaması bekleniyor. 4D zamana bağlı baskı işlemi, milimetreden santimetreye kadar geniş bir boyut aralığına sahip, çeşitli uyaranlara duyarlı yumuşak robotlar oluşturabilir. Bu 4D biyobaskı tekniği, sağlık mühendisliğinde hedefli ilaç dağıtımı, mikrocerrahi ve daha az invaziv biyopsiye doğru genişletilebilir.Yalnızca metin bilgileri okuyucular için belirsizlik yaratabilir, bu nedenle amaçlanan sonuçların elde edilmesine yardımcı olmak için görsel gösteriler gereklidir. Uyaranlara yanıt vermeyen akrilamid bazlı hidrojel mürekkepleri hazırlamak için, akrilamid, çapraz bağlayıcı ve fotoğraf başlatıcıyı 24 saat boyunca manyetik bir karıştırıcı kullanarak deiyonize suda seyreltin. Uyaranlara duyarlı N-izopropilakrilamid bazlı hidrojel mürekkepleri hazırlamak için, N-izopropilakrilamid ve foto başlatıcıyı, 24 saat boyunca manyetik bir karıştırıcı kullanarak deiyonize suda seyreltin.Daha sonra akrilamid jeline ve N-izopropilakrilamid jeline boya ekleyin ve kesme maddesi Laponite RD'yi dakikada 1150 rotasyonda veya en az altı saatte, tamamen seyreltilene kadar vorteksleyin. Ardından, hidrojel mürekkebi hazırlamak için metinde verilen talimatları izleyin. Ferrogel mürekkeplerini hazırlamak için öncelikle metinde açıklanan protokole göre A çözeltisi ve B çözeltisi hazırlayın.Polimerizasyonu gerçekleştirmek için, 200 mikrolitre A çözeltisini ve B çözeltisinin beş mikrolitresini bir mikrosantrifüj tüpüne aktarın ve karışımı 20 saniye boyunca vorteksleyin. Dilimleyici yazılımını kullanarak, tutucu tasarımının optimizasyonu ile daha önce oluşturulan her yapı için bir G kodu oluşturun. 0,4 milimetrelik bir katman yüksekliği atayın.% 75'lik bir dolgu yoğunluğuVe saniyede 10 milimetrelik bir baskı hızı. Çift yazıcı kafası kullanarak G kod dosyasını düzenleyin. G kod dosyasını 3B yazıcıya bağlamadan önce güvenli bir dijital veya SD karta kaydedin.Akrilamid bazlı ve N-izopropilakrilamid bazlı hidrojel kartuşları ilgili nozullara bağladıktan sonra, kartuşların iki yazıcı kafasının Z ekseninde aynı konumda olup olmadığını kontrol edin. Ardından, iki nozul arasındaki yanlış hizalamaları önlemek için X ve Y koordinatlarını tam olarak kalibre edin. Şimdi, baskı basıncını akrilamid bazlı hidrojel için 20 ila 25 kilopaskal ve N-izopropilakrilamid bazlı hidrojel için 10 ila 15 kilopascal olarak ayarlayın.Bir sonrakini yazdırmak için her örnek tamamen yazdırıldıktan sonra adımları yineleyin. UV fotokürlemeden önce, manyetik alana duyarlı ferrogel mürekkeplerini bir şırınga kullanarak 3D baskılı yumuşak tutucunun hedeflenen ince delik alanına enjekte edin. Ferrojelin enjeksiyonundan sonra, tutucu yapısını altı dakika boyunca 365 nanometre dalga boyuna sahip bir UV kaynak odasının içine yerleştirin.UV fotoğraf kürlemeden sonra, tutucu yapısını tamamen şişmiş bir denge durumuna ulaşana kadar en az 24 saat boyunca deiyonize bir su banyosuna aktarın. Yumuşak hibrit kavrayıcı, termal olarak duyarlı çalıştırma ve manyetik hareket yoluyla bir alma ve yerleştirme görevi gerçekleştirdi. Sıcaklık, düşük kritik çözelti sıcaklığının veya LCST'nin üzerine çıktığında, N-izopropilakrilamid bazlı hidrojel şişti ve kıskaç ucunu kapatarak küçüldü.Buna karşılık, N-izopropilakrilamid bazlı hidrojelin şişmesi nedeniyle sıcaklık LCST'nin altına düştüğünde tutucu ucu açıldı. Tutucu ayrıca deiyonize suyla dolu 3D baskılı bir numune labirenti içinde bir alma ve yerleştirme görevi gösterdi. Tutucu, ucu açık durumunda, başlangıç konumundan hedef somon karacasına harici bir mıknatıs tarafından yönlendirildi.Sıcaklık 40 santigrat dereceye ulaştığında, tutucunun ucu somon karacasını kavramak için kapandı. Tutucu, somon karacasını tutarken labirentten dışarı yönlendirildi ve bozulmamış somon karacasını hedef alanda, 25 santigrat derece oda sıcaklığında, ucu açık bir durumda başarıyla serbest bıraktı. İki nozul arasındaki koordinat noktaları kalibre edilirken deneysel özen gösterilmelidir.Bu süreç çok fazla pratik gerektirir. Bu özel protokol, hassas bir şekilde kontrol edilebilir, yüksek hassasiyetli ve çok işlevli akıllı uyaranlara duyarlı yumuşak robotların gerçekleştirilmesinde daha önemli ilerlemeler için zemin hazırlamaktadır.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Yumuşak Malzemelerin Mekaniği Çalışması Dijital Projektör ve Uygulama Kullanarak Mikro 3D Baskı

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

İnsansı Robotlar ile Beyin Robot Etkileşimi Deneysel Prosedür SSVEP tabanlı

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

Boya duyarlı güneş pilleri için Titanyum Dioksit Dijital Baskı

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

Araştırma ve Pedagoji için Biyomoleküler Modelleri 3D Baskı

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

Yumuşak Pnömatik ağ aktüatörler eğik Chambers ile imalatı

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

Ölçeklenebilir pul baskı ve Hemiwicking yüzeyler imalatı

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

Hibrid akıllı sensörler imalatı için yazdırma

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

Büyük genlik salınım kesme yanıt yumuşak malzeme eğitim

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

Biyolojik Doku Simüle Etmek Için Hayaletlerin Multimodal 3D Baskısı

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

İnce Yumuşak Pnömatik Aktüatör ve Robotların Hızlı İmalatı

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 ...