Summary
이 원고는 지능형 자극 반응형 소프트 로봇을 제작하기 위한 4D 프린팅 전략을 설명합니다. 이 접근 방식은 스마트 매니퓰레이터, 전자 장치 및 의료 시스템을 포함한 지능형 형상 변형 가능한 소프트 로봇 시스템의 실현을 촉진하는 토대를 제공할 수 있습니다.
Abstract
본 프로토콜은 3차원(3D) 바이오프린팅 방법을 사용하여 4차원(4D), 시간 의존적, 형태 변경 가능, 자극 반응형 소프트 로봇의 생성을 설명합니다. 최근 4D 프린팅 기술은 형상 변형 가능한 소프트 로봇을 개발하기위한 혁신적인 새로운 방법으로 광범위하게 제안되었습니다. 특히 4D 시간 종속 형상 변환은 열, pH 및 빛과 같은 외부 신호에 의해 트리거 될 때 효과적인 기능이 적시에 발생할 수 있기 때문에 소프트 로봇 공학의 필수 요소입니다. 이러한 관점에 따라 하이드로겔, 폴리머, 하이브리드 등 자극반응성 물질을 프린팅하여 스마트 형상 변형 가능한 소프트 로봇 시스템을 구현할 수 있습니다. 전류 프로토콜은 N-이소프로필아크릴아미드(NIPAM) 기반 하이드로겔로 구성된 열 반응성 소프트 그리퍼를 제조하는 데 사용할 수 있으며 전체 크기는 길이가 밀리미터에서 센티미터에 이릅니다. 이 연구는 스마트 매니퓰레이터 (예 : 그리퍼, 액추에이터 및 픽 앤 플레이스 기계), 의료 시스템 (예 : 약물 캡슐, 생검 도구 및 미세 수술) 및 전자 제품 (예 : 웨어러블 센서 및 유체 공학).
Introduction
자극 반응형 소프트 로봇의 개발은 기술적, 지적 관점 모두에서 중요합니다. 자극 반응형 소프트 로봇이라는 용어는 일반적으로 열, pH및 빛과 같은 외부 신호에 반응하여 모양 변화를 나타내는 하이드로겔, 폴리머, 엘라스토머 또는 하이브리드로 구성된 장치/시스템을 나타냅니다.1,2,3,4. 많은 자극 반응형 소프트 로봇 중에서 N-이소프로필아크릴아미드(NIPAM) 하이드로겔 기반 소프트 로봇은 자발적인 형상 변형 5,6,7,8을 사용하여 원하는 작업 또는 상호 작용을 수행합니다. 일반적으로, NIPAM-계 하이드로겔은 낮은 임계 용액 온도(LCST)를 나타내고, 팽윤(LCST 이하의 친수성) 및 디팽윤(LCST 이상의 소수성) 특성 변화는 32°C와 36°C 사이의 생리학적 온도 근처에서 하이드로겔 시스템 내부에서 발생한다 9,10. LCST의 날카로운 임계 전이 점 근처의이 가역적 인 팽창 - 팽창 방지 메커니즘은 NIPAM 기반 하이드로 겔 소프트 로봇2의 형상 변형을 생성 할 수있다. 그 결과, 열반응성 NIPAM 기반 하이드로겔 소프트 로봇은 다기능 매니퓰레이터, 헬스케어 시스템 및스마트 센서에서 중요한 걷기, 잡기, 크롤링, 감지 등의 조작이 개선되었으며, 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
자극 반응형 소프트 로봇의 제조에 있어서, 3차원(3D) 프린팅 접근법은 직접 층별 적층 공정(22)을 사용하여 널리 이용되어 왔다. 플라스틱 및 연질 히드로겔과 같은 다양한 재료가 3D 프린팅(23, 24)으로 인쇄될 수 있다. 최근에, 4D 프린팅은 형상-프로그램-프로그램가능한 소프트 로봇(25,26,27,28)을 만들기 위한 혁신적인 기술로서 광범위하게 강조되고 있다. 이 4D 프린팅은 3D 프린팅을 기반으로하며 4D 프린팅의 주요 특징은 3D 구조가 시간이 지남에 따라 모양과 특성을 변경할 수 있다는 것입니다. 4D 프린팅과 자극 반응성 하이드로겔의 조합은 열, pH, 빛, 자기장 및 전기장과 같은 적절한 외부 자극 유발 요인에 노출될 때 시간이 지남에 따라 모양이 변하는 스마트 3D 장치를 만드는 또 다른 혁신적인 경로를 제공했습니다.25,26,27,28 . 다양한 자극 반응성 하이드로겔을 사용하는 이 4D 프린팅 기술의 개발은 향상된 응답 속도와 피드백 감도로 다기능을 표시하는 형태 변형 가능한 소프트 로봇의 출현 기회를 제공했습니다.
이 연구에서는 모양 변환 및 이동을 표시하는 3D 프린팅 구동 열 반응형 소프트 그리퍼의 생성에 대해 설명합니다. 특히, 설명 된 특정 절차는 밀리미터에서 센티미터 길이 스케일에 이르는 전체 크기의 다양한 다기능 소프트 로봇을 제작하는 데 활용 될 수 있습니다. 마지막으로, 이 프로토콜은 소프트 로봇(예를 들어, 스마트 액추에이터 및 이동 로봇), 유연한 전자 장치(예를 들어, 광전기 센서 및 랩온-어-칩) 및 의료 시스템(예를 들어, 약물 전달 캡슐, 생검 도구 및 수술 장치)을 포함하는 여러 분야에 적용될 수 있을 것으로 예상된다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
자극 반응형 소프트 그리퍼는 비자극 반응형 아크릴아미드(AAm) 기반 하이드로겔, 열반응성 N-이소프로필 아크릴아미드(NIPAM) 기반 하이드로겔 및 자기 반응형 페로겔의 세 가지 유형의 하이드로겔로 구성되었습니다(그림 1). 3개의 하이드로겔 잉크는 이전에 공개된 방법 29,30,31을 변형하여 제조하였다. 이 연구에서 제시된 데이터는 교신 저자의 요청에 따라 제공됩니다.
1. 하이드로겔 잉크의 제조
- 비자극 반응성 AAm 기반 하이드로겔 잉크(그림 1A)
- 아크릴아미드(AAm), 가교결합제 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(BIS)(재료 표 참조) 및 광개시제 2-히드록시-4'-(2-히드록시에톡시)-2-메틸프로피오페논(재료 표 참조)을 24시간 동안 자기 교반기를 사용하여 증류수(DI)에 희석합니다.
- 전단 희석제, 라포 나이트 RD 나노 클레이 및 플루오 레신 O- 메타 크릴 레이트 염료 ( 재료 표 참조)를 완전히 희석 될 때까지 1,150 rpm에서 최소 6 시간 동안 와동시킵니다.
- AAm 1.576g, BIS 0.332g, 라포나이트 RD 1.328g, 광개시제 0.166g, NaOH 0.1mg, 플루오레세인 O-메타크릴레이트 0.1mg( 재료 표 참조) 및 DI 물 16.594g의 용액 염기 당 AAm 기반 하이드로겔 잉크의 비중량을 준비합니다.
- 전체 희석 후 AAm 기반 하이드로겔 잉크를 주사기를 사용하여 빈 3D 프린팅 카트리지( 재료 표 참조)로 옮깁니다.
- 자극 반응성 NIPAM 기반 하이드로겔 잉크(그림 1B)
- 묽은 N-이소프로필 아크릴아미드(NIPAM), 폴리N-이소프로필 아크릴아미드(PNIPAM) 및 광개시제(재료 표 참조)를 자기 교반기를 사용하여 DI 물에서 24시간 동안 희석합니다.
- 전단 희석제, 라포 나이트 RD 나노 클레이 및 플루오 레신 로다 민 6G 염료가 완전히 희석 될 때까지 1,150 rpm에서 최소 6 시간 동안 와동시킵니다.
- 용액 염기 총 20mL당 NIPAM 기반 하이드로겔 잉크의 비중을 준비합니다: NIPAM 1.692g, pNIPAM 0.02g, 라포나이트 RD 1.354g, 광개시제 0.034g, 로다민 6G 0.1mg( 재료 표 참조) 및 DI 물 16.92g.
- 완전히 희석 된 후 NIPAM 기반 하이드로 겔 잉크를 주사기를 사용하여 빈 3D 프린팅 카트리지로 옮깁니다.
- 페로겔 잉크(그림 1C)
- 희석 아크릴아미드(AAm) 및 가교제, N,N'-메틸렌비스아크릴아미드(BIS), 산화철(Fe2O3) 및 N, N,N',N'-테트라메틸에틸렌디아민(TMEDA)(재료 표 참조)을 DI수에서 A-용액 준비합니다.
- 재료의 비중량 퍼센트(wt%)를 고려하십시오: 10μL의 TMEDA 촉진제를 사용하여 1.2mL의 DI 물에서 71% AAm, 3.5% BIS, 및 25.5%Fe2O3.
- B 용액 준비: 0.8mL의 DI 물에 10g의 과음암모늄(APS, 재료 표 참조)을 희석합니다.
- 중합을 위해 200μL의 A-용액과 5μL의 B-용액을 미세 원심분리 튜브로 옮깁니다.
- 마이크로 원심 분리기 튜브를 20 초 동안 소용돌이.
2. 소프트 하이브리드 그리퍼 설계 최적화
참고: 타원형 소프트 하이브리드 그리퍼는 AAm 기반 하이드로겔 외부 층, NIPAM 기반 하이드로겔 내부 레이어 및 페로겔 상층으로 구성됩니다(그림 1D). 전체 타원형 소프트 하이브리드 그리퍼는 AutoCAD 소프트웨어를 사용하여 작성되었습니다( 재료 표 참조).
- 2차원 AAm 기반 하이드로겔층 설계
- 가장 바깥 쪽 부분에 세로 축이 24mm이고 가로 축이 20mm 인 타원형 모양을 그립니다.
- 2.1.1단계에서 그린 도형과 동일한 중심점을 사용하여 세로축이 20.8mm이고 가로축이 16.8mm인 다른 타원형 도형을 그립니다.
- 타원의 중심점에서 멀리 떨어진 점 (−8.24, 2), (0, 6) 및 (8.24, 2)를 통과하는 3점 호를 그립니다.
- 호로 나눈 일식의 작은 윗부분을 다듬습니다.
- 2차원 NIPAM 기반 하이드로겔층 설계
- 2.1.1단계에서 그린 모양과 동일한 중심점을 사용하여 세로축이 20.2mm이고 가로축이 16.4mm인 타원을 그립니다.
- 2.1.1단계에서 그린 모양과 동일한 중심점을 사용하여 세로 축이 16.16mm이고 가로축이 13.12mm인 타원을 그립니다.
- 타원의 중심점에서 떨어진 점 (−7.86, 1.83), (0, 5.6) 및 (7.86, 1.83)을 통과하는 3점 호를 그립니다.
- 타원의 중심점에서 떨어진 점 (−5.47, 1.64), (0, 3.18) 및 (5.47, 1.64)를 통과하는 3점 호를 그립니다.
- 트리밍타원의 작은 윗부분을 호로 나눕니다.
- 받침대를 만들려면 (−4.75, −2.71) 및 (4.75, −2.71)에서 중심점에서 두 점 떨어져 있고 (0, -4.59)에서 중심점에서 한 점 떨어진 호를 그립니다.
- 2차원 페로겔 층 설계
- 타원의 중심점에서 떨어진 점 (−7, 4.92), (0, 9.2) 및 (7, 4.92)를 통과하는 3점 호를 그립니다.
- 타원의 중심점에서 떨어진 점 (−7, 4.92), (0, 7.6) 및 (7, 4.92)를 통과하는 3점 호를 그립니다.
- 2차원 그리퍼 팁 설계
- 그리퍼의 파지 부분을 만들려면 타원 하단의 중심선에서 양쪽에서 0.8mm 자릅니다.
- 3차원 하이브리드 그리퍼 설계
- 전체 2D 하이브리드 그리퍼 설계를 3D로 전환하려면 반응형 겔의 받침대를 0.8mm 돌출시키고 반응성이 없는 젤, 반응형 겔의 절단된 타원형 및 페로겔을 2.5mm 압출합니다.
3. 소프트 하이브리드 그리퍼의 3차원 프린팅
- 층 높이가 0.4mm이고 인쇄 속도가 10mms−1이고 충전 밀도가 75%인 Slic3r 소프트웨어(재료 표 참조)를 사용하여 2단계에서 생성된 각 구조에 대해 G 코드30을 생성합니다. 이중 프린트 헤드를 사용하여 G 코드 파일을 편집합니다.
- G 코드 파일을 보안 디지털(SD) 카드에 저장하고 3D 프린터( 재료 표 참조)에 연결하여 소프트 그리퍼의 인쇄 경로를 생성합니다.
- 공기 펌프 압력 제어 장치를 3D 프린터에 연결합니다.
- NIPAM 기반 하이드로겔과 AAm 기반 하이드로겔의 경우 각각 직경 0.25mm 및 0.41mm의 노즐 팁을 선택하십시오.
- AAm 기반 하이드로겔 카트리지를 노즐 1에 연결하고 NIPAM 기반 하이드로겔 카트리지를 노즐 2에 연결합니다.
- 카트리지의 두 프린트 헤드가 z축에서 같은 위치에 있는지 확인합니다.
- 두 노즐 사이의 정렬 불량을 방지하기 위해 X 및 Y 좌표를 정확하게 보정합니다.
- AAm 기반 하이드로겔의 경우 인쇄 압력을 20-25KPa로, NIPAM 기반 하이드로겔의 경우 10-15KPa로 설정합니다.
- 각 샘플이 완전히 인쇄되면 3.5-3.8단계를 반복합니다(그림 2A).
4. 소프트 하이브리드 그리퍼의 UV 광경화
- UV 광경화 전에 주사기를 사용하여 자기장 반응성 페로겔 잉크(1.3단계에서 준비)를 3D 프린팅된 소프트 그리퍼의 표적 얇은 구멍 영역에 주입합니다.
- 페로겔을 주입한 후 그리퍼 구조를 365nm 파장의 UV 소스 챔버 내부에 6분 동안 놓습니다. 자외선의 강도를 4.9mJ/s로 고정합니다.
- UV 광경화 후 그리퍼 구조가 완전히 부풀어 오른 평형 상태에 도달할 때까지 최소 24시간 동안 DI 수조로 옮깁니다(그림 2B-D).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
NIPAM 기반 하이드로 겔은 날카로운 LCST로 인해 열적으로 반응하는 소프트 그리퍼를 설계 할 때 주로 고려되었으며, 이로 인해 상당한 팽창 - 팽창 제거 특성을 나타냅니다 9,10. 또한 AAm 기반 하이드로겔은 여러 가열 및 냉각 과정에서 계면의 박리를 줄이면서 소프트 하이브리드 그리퍼의 형상 변형을 극대화하기 위해 비자극 반응성 시스템으로 간주되었습니다. 또한 ferrogel은 이 하이브리드 시스템에 통합되어 자기장 구동 운동의 무제한 제어를 위한 자기장 반응성 소프트 하이브리드 그리퍼를 만들었습니다. 특히, 페로겔 잉크 주입은 NIPAM 기반 하이드로겔 구조로부터 분리되는 것을 피하기 위해 중합 전에 수행되어야 한다.
열 반응성 개폐의 작동은 주로 하이브리드 그리퍼의 최적 형상을 결정하기 위해 고려되었습니다. 초기에, NIPAM계 및 AAm계 하이드로겔의 팽윤 및 디팽윤은 실온에서 60°C까지의 직경 변화를 측정하여 평가하였다. 이러한 팽윤력의 검증을 바탕으로 AAm계 하이드로겔을 구조층의 바깥쪽에, NIPAM계 하이드로겔을 반응층 내부에 배치하였다. 이 작업은 원형 및 타원형 형상과 같은 하이브리드 그리퍼의 여러 다른 구조의 그리핑 기능을 확인했습니다. 특히, 내부에 평평한 NIPAM 기반 플레이트가있는 전체 타원형 모양을 선택하여 장치가 잘 잡히고 픽 앤 플레이스 작업 중에 대상을 떨어 뜨리지 않고 안전하게 잡을 수 있도록 팽창-팽창 제거력을 높였습니다. 또한 타원형 구조 위에 대칭 초승달 모양의 페로겔 영역을 설계하여 하이브리드 그리퍼의 정밀한 자기 반응 이동을 통합했습니다.
하이브리드 그리퍼는 경로 지향 적층 3D 프린팅 방법을 사용하여 제작되었습니다(그림 3). 먼저, AAm계 하이드로겔을 구조 지지층으로서 그리퍼의 외부에 프린팅하고(도 3A), NIPAM계 하이드로겔을 자극반응층으로서 내부에 프린팅하였다(도 3B). 이어서, 페로겔을 하이브리드 그리퍼의 상단에 있는 웰에 주입하였다(도 3C). 이중 3D 프린팅 및 주입 공정의 첫 번째 단계에서는 합성 된 AAm 기반 및 NIPAM 기반 하이드로 겔을 빈 3D 카트리지로 조심스럽게 옮겨 공기가 내부로 들어 가지 않도록했습니다. AAm 기반 구조 하이드로겔 층과 정확하게 연결하기 위한 페로겔의 주입은 기포를 피하기 위해 조심스럽게 수행되어야 했습니다.
최적의 3D 프린팅 조건을 결정하기 위해 프린팅 압력, 속도, 노즐 직경 및 잉크 조성과 같은 다양한 프린팅 파라미터를 검증했습니다. 우리는 잉크의 점탄성 특성이 정확한 인쇄 및 UV 경화 공정을 얻는 데 가장 중요한 매개 변수임을 관찰했습니다. 점탄성 특성은 주로 얇은 희석제 (예 : 라포 나이트 RD)의 중량비에 의해 결정됩니다. 잉크 용액의 적절한 유변학적 특징을 식별하려면 인쇄 후 및 UV 경화 공정 전에 정밀한 인쇄 및 빠른 응고를 위해 전단 희석제를 조정하는 것이 필수적입니다. 또한 AAm 기반 및 NIPAM 기반 하이드로겔 층은 3D 프린팅 과정에서 겹침이나 틈 없이 정밀하게 연결되어야 했습니다. 이중 3D 프린팅 프로세스 중 X-Y 방향의 작은 오정렬과 Z 방향의 오프셋은 최종 구조에 심각한 오류를 초래할 수 있습니다. 정렬 불량이 관찰되면 이중 프린트 헤드가 완벽하게 정렬될 때까지 모든 인쇄 단계에서 G 코드의 Z 방향으로 오프셋이 있는 X 및 Y 방향의 사전 설정 위치를 다시 정렬해야 합니다. 오류 없이 그리퍼 구조를 정밀하게 정렬하기 위해 각 구조의 중심을 보존하기 위해 네 모서리에 작은 큐브 모양의 보정 마커를 삽입했습니다.
소프트 하이브리드 그리퍼는 열 반응성 작동 및 자기 이동을 통해 픽 앤 플레이스 작업을 수행했습니다. 처음에는 소프트 하이브리드 그리퍼의 열 반응성 작동이 관찰되었습니다. 온도가 낮은 임계 용액 온도 (LCST) 이상으로 증가하면 NIPAM 기반 하이드로 겔의 팽창으로 인해 NIPAM 기반 겔이 줄어들고 그리퍼 팁이 닫힙니다. 대조적으로, 소프트 하이브리드 그리퍼의 그리퍼 팁은 NIPAM 기반 하이드로겔의 팽윤으로 인해 LCST 아래로 온도가 감소했을 때 열렸습니다(그림 4A). 또한 ferrogel의 통합이 온도 변화 동안 소프트 하이브리드 그리퍼의 접힘에 영향을 미치지 않음을 확인했습니다.
3D 프린터를 사용하여 간단한 미로를 제작하고 DI 물로 채우고 핫 플레이트에 놓았습니다. 그런 다음 완전히 부풀어 오른 소프트 하이브리드 그리퍼를 미로의 시작 위치에 팁이 열린 상태로 배치하고 연어 알을 대상 영역에 배치했습니다. 소프트 하이브리드 그리퍼는 연어 알에 도달 할 때까지 외부 자석을 사용하여 안내되었습니다. 이어서, 연어 잡기 그리퍼의 선단을 닫아 온도가 40°C에 도달하였을 때 연어알을 잡았다. 마지막으로, 연어 알을 잡고 미로 밖으로 이동한 후 25°C의 상온에서 팁 오픈 상태로 대상 부위에 연어알을 방출했습니다(그림 4B). 연어 알은 전체 픽 앤 플레이스 작업 동안 손상없이 모양을 유지했습니다. 또한 네오디뮴 자석은 자기 반응성 이동 중에 소프트 하이브리드 그리퍼를 안내하는 데 사용되었습니다.
그림 1: 하이드로겔 준비 및 소프트 하이브리드 그리퍼 설계. (A) AAm 기반 하이드로겔. (b) NIPAM계 하이드로겔. (C) 페로겔 잉크. (D) AutoCAD 및 Slic3r 소프트웨어를 사용하여 만든 소프트 하이브리드 그리퍼 설계. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 소프트 하이브리드 그리퍼의 3D 프린팅을 위한 제조 공정 . (A) AAm 기반 하이드로겔 및 NIPAM 기반 하이드로겔 잉크를 사용한 이중 프린팅 모드. (B) 페로겔 층. (C) UV 광경화. (D) DI 물에서의 평형 상태. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 소프트 하이브리드 그리퍼의 제작. (a) 외부 비자극 반응성 Aam계 하이드로겔층. (b) 내부 자극 반응형 NIPAM계 하이드로겔 층. (C) 페로겔 층. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 소프트 하이브리드 그리퍼의 작동 및 이동. (A) 소프트 하이브리드 그리퍼의 열적으로 반응하는 작동. (B) 소프트 하이브리드 그리퍼를 사용한 픽 앤 플레이스 작업 시연. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
소프트 하이브리드 그리퍼의 재료 선택 측면에서 비반응성 AAm 기반 하이드로겔, 열반응성 NIPAM 기반 하이드로겔 및 자기반응성 페로겔로 구성된 다중 반응성 재료 시스템을 먼저 준비하여 소프트 하이브리드 그리퍼가 프로그래밍 가능한 이동 및 형상 변형을 나타낼 수 있도록 했습니다. 열적으로 반응하는 팽윤-팽창 제거 특성으로 인해 NIPAM 기반 하이드로겔은 AAm 기반 하이드로겔1과 같이 팽윤 특성이 다른 하이드로겔을 갖는 이중층 또는 이중 스트립 구조로 제조될 때 구부러지거나 접히거나 주름이 나타납니다. 또한, 하이드로젤은 산화철(Fe2O3) 나노입자를 내장함으로써 자기적으로 반응하도록 설계될 수 있다. 중요하게도, 이러한Fe2O3-혼입된 아크릴아미드계 페로겔은 연질 로봇 자기장 구동 이동을 용이하게 하는 자기 응답성을 가능하게 하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 특히, 자기적으로 반응하는 히드로겔은 동적으로 어수선한 환경(32)에서 덜 침습적인 접근법을 제공할 수 있는 묶이지 않은 히드로겔 기반 연질 로봇 시스템에서 사용되는 것으로 제안되었다.
중요한 것은 소프트 하이브리드 그리퍼가 세 가지 하이드로겔 사이에 우수한 접착력을 필요로 한다는 것입니다. 접착력이 좋지 않으면 하이드로겔 사이의 계면이 외부 트리거에 반응하여 반복적인 팽창 및 팽창 제거 중에 박리됩니다. 특히, 아크릴아미드계 하이드로겔은 소프트 하이브리드 그리퍼의 반복적인 열적 및 자기적 반응 조작 및 이동에 따른 우수한 접착력을 보장하기 위해 도입되었다. 또한, 열반응성 NIPAM 기반 및 비자극 반응형 AAm 기반 하이드로겔의 팽윤 및 디팽윤은 소프트 하이브리드 그리퍼의 굽힘 정도를 예상하는 것으로 확인되었다. 하이드로겔 팽윤(예: Flory-Huggins 모델) 및 역학(예: Neo-Hookean 모델)을 사용하는 열역학 프레임워크를 기반으로 하는 시뮬레이션 모델은 팽윤및 온도의 함수로서 굽힘 정도를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다8. 그리퍼 폴딩의 이러한 실험적, 이론적 특성을 바탕으로 내부에는 열반응성 NIPAM 기반 하이드로겔 층을 선택하고, 외부 부분에는 비자극 반응성 AAm 기반 하이드로겔 층을 선택하여 온도가 증가함에 따라 그리핑 팁을 중앙으로 구부릴 수 있도록 했습니다.
소프트 하이브리드 그리퍼의 제작 측면에서 당사의 4차원(4D) 시간 종속 프린팅 프로세스를 사용하여 밀리미터에서 센티미터까지 다양한 크기 범위의 다양한 자극 반응형 소프트 로봇을 만들 수 있습니다. 최근 4D 프린팅과 자극 반응형 스마트 소재의 조합은 적절한 자극 소스에 노출되었을 때 형상 변형이 가능한 지능형 3D 구조를 개발하기 위한 새로운 경로를 제공했습니다. 프로그램가능 자극-반응성 히드로겔을 사용하는 4D-프린팅 기술과 함께, 자극-반응성 물질의 다양한 3D-프린팅 경로는 다양한 곡선, 압연, 접힘 또는 나선형 구조(26)를 표시하는 상이한 최종 팽창 형상을 제시할 수 있다. 이 혁신적인 4D 프린팅 전략의 개발은 지능형 자극 반응형 소프트 로봇을 만들기 위한 상당한 확장성과 제조 가능성으로 인해 상당한 관심을 끌었습니다.
그러나 다양한 하이드로겔의 4D 프린팅은 극복해야 할 몇 가지 과제가 필요합니다. 첫째, 4D 인쇄 된 하이드로 겔의 형태 변경 가능한 작동에 대한 응답 시간이 다소 느립니다. 반응 시간을 개선하기 위해 기능성 물질(예를 들어, 나노입자, 저차원 물질, 액정, 심지어 생물학적 DNA)과 통합된 하이드로겔 조성물의 추가 미세 조정이 필요하다. 또한 Z 방향의 위치 보정과 X-Y 방향의 정렬은 이중 인쇄 프로세스 중 모든 단계에서 다시 확인해야 합니다. 정렬 불량 없이 연속 인쇄 프로세스를 얻으려면 프린트 헤드가 완벽하게 정렬될 때까지 G 코드 파일에서 X, Y 및 Z 방향의 사전 설정 값을 다시 확인하고 여러 번 반복해야 합니다.
응용 분야의 관점에서 이 백서에서는 픽 앤 플레이스 작업을 능동적으로 수행하는 열 및 자기 반응형 소프트 하이브리드 그리퍼를 소개합니다. 물체를 안전하게 잡고 안전하게 잡는 순차적 인 프로세스는 소프트 로봇 공학에서 매우 중요합니다. 자극-반응성 소프트 그리퍼는 외부 자극 온-오프 프로세스(32)에 따라 덜 침습적이거나 비침습적인 방식으로 물체를 정확하게 파지하고 방출할 수 있는 지능형 조작 시스템을 개발할 가능성을 보여주었다. 보다 최근에, 정확한 픽 앤 플레이스 작업을 위한 소프트 그리퍼의 자동화된 이동을 달성하기 위해, 초음파 이미지 피드백-결합 그래디언트 자기장 시스템이 병렬로 개발되었다(33). 아직 개념적 수준이지만 소프트 자극 반응형 하이브리드 그리퍼의 4D 프린팅을 위한 이 특정 프로토콜은 정밀하게 제어 가능하고 고감도이며 다기능 스마트 자극 반응형 소프트 로봇 개발에서 더욱 중요한 발전을 위한 기반을 제공할 것으로 기대합니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
Acknowledgments
저자는 한국 정부(MSIT)가 지원하는 한국연구재단(NRF) 보조금(No.2022R1F1A1074266)의 지원에 감사드립니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone | Sigma Aldrich | 410896-50G | Irgacure 2959, photoinitiator |
| 3D WOX 2X | sindoh | n/a | 3D printer for fabricating a maze |
| Acrylamide | Sigma-Aldrich | 29-007 | ≥99% |
| Airbrush compressor | WilTec | AF18-2 | |
| Ammonium persulfate | Sigma Aldrich | A4418 | |
| Auto CAD | Autodesk | n/a | software for computer-aided-design file |
| BLX UV crosslinker | BIO-LINK | U01-133-565 | |
| Cartridge | CELLINK | CSC010300102 | |
| Digital stirring Hot Plates | Corning | 6798-420D | |
| Fluorescein O-methacrylate | Sigma Aldrich | 568864 | dye of AAm gel |
| INKREDIBLE+ bioprinter | CELLINK | n/a | |
| Iron(III) Oxide red | DUKSAN general science | I0231 | |
| Laponite RD | BYK | n/a | nanoclay |
| Microcentrifuge tube | SPL | 60615 | |
| Micro stirrer bar | Cowie | 27-00360-08 | |
| N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine | Sigma Aldrich | T7024-100ML | |
| N, N'-methylenebisacrylamide | Sigma Aldrich | M7279 | ≥99.5% |
| N-isopropylacrylamide | Sigma-Aldrich | 415324-50G | |
| Poly(N-isopropylacrylamide) | Sigma-Aldrich | 535311 | |
| Rhodamine 6G | Sigma Aldrich | R4127 | dye of NIPAM gel |
| Slic3r software (v1.2.9) | Slic3r | n/a | open-source software to convert .stl file to gcode |
| Sodium hydroxide beads | Sigma Aldrich | S5881 | |
| Sterile high-precision conical bioprinting nozzles | CELLINK | NZ3270005001 | 22 G, 25 G |
| Syringe | Korea vaccine | K07415389 | 10 CC 21 G (1-1/4 INCH) |
| Vortex mixer | DAIHAN | DH.WVM00030 |
References
- Gracias, D. H. Stimuli responsive self-folding using thin polymer films. Current Opinion in Chemical Engineering. 2 (1), 112-119 (2013).
- Zhang, Y. S., Khademhosseini, A.
- Erol, O., Pantula, A., Liu, W., Gracias, D. H.
- Liu, X., Liu, J., Lin, S., Zhao, X.
- Hu, Z., Zhang, X., Li, Y. Synthesis and application of modulated polymer gels. Science. 269 (5223), 525-527 (1995).
- Klein, Y., Efrati, E., Sharon, E. Shaping of elastic sheets by prescription of non-Euclidean metrics. Science. 315 (5815), 1116-1120 (2007).
- Kim, J., Hanna, J. A., Byun, M., Santangelo, C. D., Hayward, R. C. Design responsive buckled surfaces by halftone gel lithography. Science. 335 (6073), 1201-1205 (2012).
- Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (5), 3398-3405 (2015).
- Schild, H. G. Poly (N-isopropylacrylamide): Experiment, theory and application. Progress in Polymer Science. 17 (2), 163-249 (1992).
- Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. -C., Sharma, N., Zhou, Y.
- Stuart, M. A., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).
- Ionov, L.
- Ghosh, A., et al. Stimuli-responsive soft untethered grippers for drug delivery and robotic surgery. Frontiers in Mechanical Engineering. 3, 7 (2017).
- Kirillova, A., Ionov, L. Shape-changing polymers for biomedical applications. Journal of Materials Chemistry B. 7, 1597-1624 (2019).
- Le, X., Lu, W., Zhang, J., Chen, T. Recent progress in biomimetic anisotropic hydrogel actuators. Advanced Science. 6 (5), 1801584 (2019).
- Xu, W., Gracias, D. H. Soft three-dimensional robots with hard two-dimensional materials. ACS Nano. 13 (5), 4883-4892 (2019).
- Yoon, C. K. Advances in biomimetic stimuli responsive soft grippers. Nano Convergence. 6, 20 (2019).
- Lee, Y., Song, W. J., Sun, J. Y.
- Shen, Z., Chen, F., Zhu, X., Yong, K. T., Gu, G. Stimuli-responsive functional materials for soft robotics. Journal of Materials Chemistry B. 8, 8972-8991 (2020).
- Kim, H., et al. Shape morphing smart 3D actuator materials for micro soft robot. Materials Today. 41, 243-269 (2020).
- Ding, M., et al. Multifunctional soft machines based on stimuli-responsive hydrogels: From freestanding hydrogels to smart integrated systems. Materials Today Advances. 8, 100088 (2020).
- Wang, X., Jiang, M., Zhou, Z., Gou, J., Hui, D. 3D printing of polymer matrix composites: A review and prospective. Composites Part B: Engineering. 110, 442-458 (2017).
- Bartlett, N. W., et al. A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion. Science. 349 (6244), 161-165 (2015).
- Wehner, M., et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature. 536, 451-455 (2016).
- Tibbits, S. 4D printing: Multi-material shape change. Architectural Design. 84 (1), 116-121 (2014).
- Gladman, A. S., Matsumoto, E. A., Nuzzo, R. G., Mahadevan, L., Lewis, J. A.
- Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J.
- Ionov, L. 4D biofabrication: Materials, methods, and applications. Advanced Healthcare Materials. 7 (17), 1800412 (2018).
- Liu, J., et al. Dual-gel 4D printing of bioinspired tubes. ACS Applied Materials & Interfaces. 11 (8), 8492-8498 (2019).
- Son, H., et al. Untethered actuation of hybrid hydrogel gripper via ultrasound. ACS Macro Letters. 9 (12), 1766-1772 (2020).
- Ding, Z., Salim, A., Ziaie, B. Squeeze-film hydrogel deposition and dry micropatterning. Analytical Chemistry. 82 (8), 3377-3382 (2010).
- Ongaro, F., et al. Autonomous planning and control of soft untethered grippers in unstructured environments. Journal of Micro-Bio Robotics. 12, 45-52 (2017).
- Scheggi, S., et al. Magnetic motion control and planning of untethered soft grippers using ultrasound image feedback. 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). IEEE. , 6156-6161 (2017).
