Summary
Dieses Manuskript beschreibt eine 4D-Druckstrategie zur Herstellung intelligenter, auf Reize reagierender weicher Roboter. Dieser Ansatz kann die Grundlage für die Realisierung intelligenter, formwandelbarer weicher Robotersysteme bilden, einschließlich intelligenter Manipulatoren, Elektronik und Gesundheitssysteme.
Abstract
Das vorliegende Protokoll beschreibt die Erstellung von vierdimensionalen (4D), zeitabhängigen, formveränderbaren, stimuli-responsiven weichen Robotern unter Verwendung eines dreidimensionalen (3D) Biodruckverfahrens. In jüngster Zeit wurden 4D-Drucktechniken als innovative neue Methoden zur Entwicklung formwandelbarer weicher Roboter vorgeschlagen. Insbesondere die zeitabhängige 4D-Formtransformation ist ein wesentlicher Faktor in der Softrobotik, da sie effektive Funktionen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort ermöglicht, wenn sie durch externe Signale wie Wärme, pH-Wert und Licht ausgelöst werden. Im Einklang mit dieser Perspektive können stimuli-responsive Materialien, einschließlich Hydrogele, Polymere und Hybride, gedruckt werden, um intelligente, formwandelbare weiche Robotersysteme zu realisieren. Das aktuelle Protokoll kann verwendet werden, um thermisch ansprechende Softgreifer herzustellen, die aus Hydrogelen auf N-Isopropylacrylamid (NIPAM)-Basis mit Gesamtgrößen von Millimetern bis Zentimetern Länge bestehen. Es wird erwartet, dass diese Studie neue Richtungen für die Realisierung intelligenter weicher Robotersysteme für verschiedene Anwendungen in intelligenten Manipulatoren (z. B. Greifern, Aktuatoren und Pick-and-Place-Maschinen), Gesundheitssystemen (z. B. Medikamentenkapseln, Biopsiewerkzeugen und Mikrooperationen) und Elektronik (z. B. tragbare Sensoren und Fluidik) aufzeigen wird.
Introduction
Die Entwicklung von stimuli-responsiven Softrobotern ist sowohl aus technischer als auch aus intellektueller Sicht wichtig. Der Begriff stimuli-responsive Softroboter bezieht sich im Allgemeinen auf Geräte / Systeme, die aus Hydrogelen, Polymeren, Elastomeren oder Hybriden bestehen, die Formänderungen als Reaktion auf äußere Signale wie Wärme, pH-Wert und Licht 1,2,3,4 aufweisen. Unter den vielen stimuli-responsiven weichen Robotern führen N-Isopropylacrylamid (NIPAM) Hydrogel-basierte weiche Roboter die gewünschten Aufgaben oder Interaktionen durch spontane Formtransformation 5,6,7,8 aus. Im Allgemeinen weisen die NIPAM-basierten Hydrogele eine niedrige kritische Lösungstemperatur (LCST) auf, und Quellungen (Hydrophilie unterhalb der LCST) und Quellung (Hydrophobie über der LCST) treten innerhalb des Hydrogelsystems in der Nähe physiologischer Temperaturen zwischen 32 °C und 36 °C auf 9,10. Dieser reversible Quell-Entquellungsmechanismus in der Nähe des scharfen kritischen Übergangspunkts des LCST kann die Formtransformation von NIPAM-basierten Hydrogel-Softroboternerzeugen 2. Infolgedessen haben thermisch ansprechende NIPAM-basierte Hydrogel-Softroboter verbesserte Operationen wie Gehen, Greifen, Krabbeln und Erfassen, die in multifunktionalen Manipulatoren, Gesundheitssystemen und intelligenten Sensoren wichtig sind 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Bei der Herstellung von stimuli-responsiven weichen Robotern wurden dreidimensionale (3D) Druckansätze unter Verwendung eines direkten Schicht-für-Schicht-additiven Verfahrens weit verbreitet22. Eine Vielzahl von Materialien, wie Kunststoffe und weiche Hydrogele, können mit 3D-Druck23,24 gedruckt werden. In jüngster Zeit wurde der 4D-Druck als innovative Technik zur Herstellung formprogrammierbarer weicher Roboter 25,26,27,28 ausführlich hervorgehoben. Dieser 4D-Druck basiert auf dem 3D-Druck, und das Hauptmerkmal des 4D-Drucks ist, dass die 3D-Strukturen ihre Formen und Eigenschaften im Laufe der Zeit ändern können. Die Kombination von 4D-Druck und stimuli-responsiven Hydrogelen hat einen weiteren innovativen Weg zur Herstellung intelligenter 3D-Geräte eröffnet, die im Laufe der Zeit ihre Form ändern, wenn sie geeigneten externen Reizauslösern wie Wärme, pH-Wert, Licht sowie magnetischen und elektrischen Feldern ausgesetzt sind25,26,27,28 . Die Entwicklung dieser 4D-Drucktechnik unter Verwendung verschiedener stimuli-responsiver Hydrogele hat die Möglichkeit geboten, formwandelbare Softroboter zu entwickeln, die Multifunktionalität mit verbesserten Reaktionsgeschwindigkeiten und Rückkopplungsempfindlichkeit aufweisen.
Diese Studie beschreibt die Entwicklung eines 3D-druckgetriebenen, thermisch ansprechenden Softgreifers, der Formumwandlung und Fortbewegung anzeigt. Insbesondere kann das beschriebene spezifische Verfahren verwendet werden, um verschiedene multifunktionale Weichroboter mit Gesamtgrößen im Millimeter- bis Zentimeterlängenbereich herzustellen. Schließlich wird erwartet, dass dieses Protokoll in mehreren Bereichen angewendet werden kann, darunter weiche Roboter (z. B. intelligente Aktuatoren und Fortbewegungsroboter), flexible Elektronik (z. B. optoelektrische Sensoren und Lab-on-a-Chip) und Gesundheitssysteme (z. B. Medikamentenverabreichungskapseln, Biopsieinstrumente und chirurgische Geräte).
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Protocol
Der stimuli-responsive Softgreifer bestand aus drei verschiedenen Arten von Hydrogelen: Hydrogel auf Basis von Hydrogelen auf Basis von nicht stimuli-responsivem Acrylamid (AAm), thermisch ansprechendem Hydrogel auf Basis von N-Isopropylacrylamid (NIPAM) und magnetisch ansprechendes Ferrogel (Abbildung 1). Die drei Hydrogeltinten wurden durch Modifizierung der zuvor veröffentlichten Methoden 29,30,31 hergestellt. Die in dieser Studie vorgestellten Daten sind auf Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich.
1. Herstellung von Hydrogeltinten
- Nicht stimuli-responsive AAm-basierte Hydrogeltinten (Abbildung 1A)
- Das Acrylamid (AAm), der Vernetzer N,N'-Methylenbisacrylamid (BIS) (siehe Materialtabelle) und der Photoinitiator 2-Hydroxy-4'-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenon (siehe Tabelle der Werkstoffe) werden 24 h lang in destilliertem (DI) Wasser verdünnt.
- Wirbeln Sie das Scherverdünnungsmittel, den Laponit-RD-Nanoton und den Fluorescein-O-Methacrylat-Farbstoff (siehe Materialtabelle) bei 1.150 U/min für mindestens 6 h durch, bis sie vollständig verdünnt sind.
- Bereiten Sie spezifische Gewichte der AAm-basierten Hydrogeltinte pro insgesamt 20 ml Lösungsbasis vor: 1,576 g AAm, 0,332 g BIS, 1,328 g Laponit RD, 0,166 g Photoinitiator, 0,1 mg NaOH, 0,1 mg Fluorescein-O-Methacrylat (siehe Materialtabelle) und 16,594 g DI-Wasser.
- Nach der vollständigen Verdünnung wird die AAm-basierte Hydrogeltinte mit einer Spritze in eine leere 3D-Druckpatrone (siehe Materialtabelle) überführt.
- Stimuli-responsive NIPAM-basierte Hydrogel-Tinten (Abbildung 1B)
- N-Isopropylacrylamid (NIPAM), Poly-N-isopropylacrylamid (PNIPAM) und den Photoinitiator (siehe Materialtabelle) in DI-Wasser mit einem Magnetrührer für 24 h verdünnen.
- Wirbeln Sie das Scherverdünnungsmittel, den Laponit-RD-Nanoton und den Fluorescein-Rhodamin-6G-Farbstoff bei 1.150 U/min für mindestens 6 h durch, bis sie vollständig verdünnt sind.
- Bereiten Sie spezifische Gewichte der NIPAM-basierten Hydrogeltinte pro insgesamt 20 ml Lösungsbasis vor: 1,692 g NIPAM, 0,02 g pNIPAM, 1,354 g Laponit RD, 0,034 g Photoinitiator, 0,1 mg Rhodamin 6G (siehe Materialtabelle) und 16,92 g DI-Wasser.
- Nach vollständiger Verdünnung die NIPAM-basierte Hydrogel-Tinte mit einer Spritze in eine leere 3D-Druckpatrone geben.
- Ferrogel-Tinten (Abbildung 1C)
- Bereiten Sie die A-Lösung vor: Verdünntes Acrylamid (AAm) und Vernetzer, N,N'-Methylenbisacrylamid (BIS), Eisenoxid (Fe2O3) und N, N, N',N'-Tetramethylethylendiamin (TMEDA) (siehe Materialtabelle) in DI-Wasser.
- Betrachten Sie den spezifischen Gewichtsprozentsatz (Gew.%) der Materialien: 71% AAm, 3,5% BIS und 25,5%Fe2O3in 1,2 ml DI-Wasser mit 10 μL TMEDA-Beschleuniger.
- B-Lösung vorbereiten: 0,8 g Ammoniumpersulfat (APS, siehe Materialtabelle) in 10 ml DI-Wasser verdünnen.
- Zur Polymerisation werden 200 μL der A-Lösung und 5 μL der B-Lösung in ein Mikrozentrifugenröhrchen überführt.
- Wirbeln Sie das Mikrozentrifugenröhrchen für 20 s.
2. Optimierung des Softhybrid-Greiferdesigns
HINWEIS: Der elliptische Soft-Hybrid-Greifer besteht aus einer AAm-basierten Hydrogel-Außenschicht, einer NIPAM-basierten Hydrogel-Innenschicht und einer Ferrogel-Oberschicht (Abbildung 1D). Der elliptische Soft-Hybrid-Greifer wurde mit der AutoCAD-Software erstellt (siehe Materialtabelle).
- Zweidimensionales Hydrogel-Schichtdesign auf AAm-Basis
- Zeichnen Sie eine elliptische Form mit einer vertikalen Achse von 24 mm und einer horizontalen Achse von 20 mm am äußersten Teil.
- Zeichnen Sie eine weitere elliptische Form mit einer vertikalen Achse von 20,8 mm und einer horizontalen Achse von 16,8 mm mit demselben Mittelpunkt wie die in Schritt 2.1.1 gezeichnete Form.
- Zeichne einen Drei-Punkte-Bogen, der durch die Punkte (−8,24, 2), (0, 6) und (8,24, 2) vom Mittelpunkt der Ellipse weg verläuft.
- Trimmen Sie den kleinen oberen Teil der Sonnenfinsternis, der durch den Bogen geteilt wird.
- Zweidimensionales NIPAM-basiertes Hydrogelschichtdesign
- Zeichnen Sie ein Oval mit einer vertikalen Achse von 20,2 mm und einer horizontalen Achse von 16,4 mm mit demselben Mittelpunkt wie die in Schritt 2.1.1 gezeichnete Form.
- Zeichnen Sie eine Ellipse mit einer vertikalen Achse von 16,16 mm und einer horizontalen Achse von 13,12 mm mit demselben Mittelpunkt wie die in Schritt 2.1.1 gezeichnete Form.
- Zeichne einen Drei-Punkte-Bogen, der durch die Punkte (−7,86, 1,83), (0, 5,6) und (7,86, 1,83) vom Mittelpunkt der Ellipse weg verläuft.
- Zeichne einen Drei-Punkte-Bogen, der durch die Punkte (−5,47, 1,64), (0, 3,18) und (5,47, 1,64) vom Mittelpunkt der Ellipse weg verläuft.
- Trimmen Sie den kleinen oberen Teil der Ellipsen, die durch die Bögen unterteilt sind.
- Um einen Sockel zu erstellen, zeichnen Sie einen Bogen mit zwei Punkten vom Mittelpunkt entfernt bei (−4,75, −2,71) und (4,75, −2,71) als Endpunkte und einen Punkt vom Mittelpunkt entfernt bei (0, -4,59).
- Zweidimensionales Ferrogel-Schichtdesign
- Zeichne einen Drei-Punkte-Bogen, der durch die Punkte (−7, 4,92), (0, 9,2) und (7, 4,92) vom Mittelpunkt der Ellipse weg verläuft.
- Zeichne einen Drei-Punkte-Bogen, der durch die Punkte (−7, 4,92), (0, 7,6) und (7, 4,92) vom Mittelpunkt der Ellipse weg verläuft.
- Zweidimensionale Greiferspitzen
- Um den Greifteil des Greifers zu machen, schneiden Sie 0,8 mm von jeder Seite von der Mittellinie am unteren Rand der Ellipse ab.
- Dreidimensionales Hybridgreiferdesign
- Um das gesamte 2D-Hybrid-Greiferdesign in 3D umzuwandeln, extrudieren Sie den Sockel des responsiven Gels um 0,8 mm und extrudieren Sie das nicht reagierende Gel, das geschnittene Oval des responsiven Gels und das Ferrogel um 2,5 mm.
3. Dreidimensionaler Druck des Soft-Hybrid-Greifers
- Generieren Sie einen G-Code30 für jede Struktur, die in Schritt 2 mit der Slic3r-Software (siehe Materialtabelle) mit einer Schichthöhe von 0,4 mm, einer Druckgeschwindigkeit von 10 mms−1 und einer Fülldichte von 75% erstellt wurde. Bearbeiten Sie die G-Code-Datei mit zwei Druckköpfen.
- Speichern Sie die G-Code-Datei auf einer sicheren digitalen Karte (SD) und verbinden Sie sie mit dem 3D-Drucker (siehe Materialtabelle), um die Druckpfade des Softgreifers zu generieren.
- Schließen Sie eine Luftpumpendruckregelung an den 3D-Drucker an.
- Wählen Sie Düsenspitzen mit Durchmessern von 0,25 mm bzw. 0,41 mm für das NIPAM-basierte Hydrogel bzw. AAm-basiertes Hydrogel.
- Verbinden Sie die AAm-basierte Hydrogel-Kartusche mit Düse 1 und die NIPAM-basierte Hydrogel-Kartusche mit Düse 2.
- Überprüfen Sie, ob sich die beiden Druckköpfe der Patronen an der gleichen Position auf der z-Achse befinden.
- Kalibrieren Sie die X- und Y-Koordinaten genau, um Fehlausrichtungen zwischen den beiden Düsen zu vermeiden.
- Stellen Sie den Druckdruck auf 20-25 KPa für das AAm-basierte Hydrogel und auf 10-15 KPa für das NIPAM-basierte Hydrogel ein.
- Wiederholen Sie die Schritte 3.5 bis 3.8, wenn jede Probe vollständig gedruckt ist (Abbildung 2A).
4. UV-Photohärtung des Soft-Hybrid-Greifers
- Vor der UV-Photohärtung injizieren Sie die Magnetfeld-responsiven Ferrogel-Tinten (hergestellt in Schritt 1.3) mit einer Spritze in den gezielten Dünnlochbereich des 3D-gedruckten Softgreifers.
- Nach der Injektion des Ferrogels platzieren Sie die Greiferstruktur für 6 min in einer UV-Quellenkammer mit einer Wellenlänge von 365 nm. Fixieren Sie die Intensität des UV-Lichts auf 4,9 mJ/s.
- Nach der UV-Photohärtung wird die Greiferstruktur für mindestens 24 h in ein DI-Wasserbad überführt, bis sie einen vollständig aufgequollenen Gleichgewichtszustand erreicht hat (Abbildung 2B-D).
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Representative Results
Das Hydrogel auf NIPAM-Basis wurde bei der Entwicklung des thermisch ansprechenden Softgreifers aufgrund seiner scharfen LCST in erster Linie berücksichtigt, wodurch es signifikante Quell-Quelleigenschaften aufweist 9,10. Darüber hinaus wurde das AAm-basierte Hydrogel als ein nicht stimuli-responsives System betrachtet, um die Formtransformation des weichen Hybridgreifers zu maximieren und gleichzeitig die Delaminierung der Grenzfläche während mehrerer Heiz- und Kühlprozesse zu reduzieren. Darüber hinaus wurde Ferrogel in dieses Hybridsystem integriert, um einen magnetfeldempfindlichen Softhybridgreifer für die ungebundene Steuerung der magnetfeldgetriebenen Fortbewegung zu schaffen. Insbesondere muss die Ferrogel-Tinteninjektion vor der Polymerisation durchgeführt werden, um eine Trennung von der NIPAM-basierten Hydrogelstruktur zu vermeiden.
Die Betätigung des thermisch ansprechenden Öffnens und Schließens wurde in erster Linie betrachtet, um die optimale Geometrie des Hybridgreifers zu bestimmen. Zunächst wurde die Quellung und Quellung der NIPAM- und AAm-basierten Hydrogele durch Messung der Durchmesseränderungen von Raumtemperatur bis 60 °C beurteilt. Basierend auf dieser Überprüfung der Quellkraft wurde das AAm-basierte Hydrogel in den äußeren Teil der Strukturschicht und das NIPAM-basierte Hydrogel in die responsive Schicht gelegt. Diese Arbeit überprüfte die Greiffunktion verschiedener Strukturen des Hybridgreifers, wie z.B. kreisförmige und elliptische Geometrien. Insbesondere wurde eine elliptische Gesamtform mit einer flachen NIPAM-basierten Platte im Inneren gewählt, um die Quell-Quellkraft zu erhöhen, damit das Gerät gut greifen und Ziele sicher halten kann, ohne sie während Pick-and-Place-Aufgaben fallen zu lassen. Zusätzlich wurde auf der elliptischen Struktur ein symmetrischer halbmondförmiger Ferrengelbereich entworfen, um die präzise magnetisch ansprechende Fortbewegung des Hybridgreifers zu integrieren.
Der Hybridgreifer wurde mit einem pfadorientierten additiven 3D-Druckverfahren hergestellt (Bild 3). Zuerst wurde das AAm-basierte Hydrogel als strukturtragende Schicht auf die Außenseite des Greifers gedruckt (Abbildung 3A), und dann wurde das NIPAM-basierte Hydrogel im Inneren als stimuli-responsive Schicht gedruckt (Abbildung 3B). Anschließend wurde Ferrogel in die Vertiefung an der Oberseite des Hybridgreifers injiziert (Abbildung 3C). Für den ersten Schritt des dualen 3D-Druck- und Injektionsprozesses wurden die synthetisierten AAm-basierten und NIPAM-basierten Hydrogele vorsichtig auf eine leere 3D-Kartusche übertragen, um keine Luft ins Innere zu lassen. Die Injektion des Ferrogels zur präzisen Verbindung mit der AAm-basierten strukturellen Hydrogelschicht musste sorgfältig durchgeführt werden, um Blasen zu vermeiden.
Eine Vielzahl von Druckparametern wie Druckdruck, Geschwindigkeit, Düsendurchmesser und Tintenzusammensetzung wurden verifiziert, um die optimalen 3D-Druckbedingungen zu bestimmen. Wir beobachteten, dass die viskoelastischen Eigenschaften der Tinten die wichtigsten Parameter für präzise Druck- und UV-Härtungsprozesse waren. Die viskoelastischen Eigenschaften werden hauptsächlich durch das Gewichtsverhältnis des reinen Verdünnungsmittels (z.B. Laponit RD) bestimmt. Um die geeigneten rheologischen Merkmale der Farblösungen zu identifizieren, ist es wichtig, das Scherverdünnungsmittel für präzises Drucken und schnelle Erstarrung nach dem Druck und vor dem UV-Härtungsprozess einzustellen. Darüber hinaus mussten die AAm- und NIPAM-basierten Hydrogelschichten während des 3D-Druckprozesses präzise und ohne Überlappung oder Lücken zwischen ihnen verbunden werden. Eine kleine Fehlausrichtung in X-Y-Richtung und ein Versatz in Z-Richtung während des dualen 3D-Druckprozesses können zu erheblichen Fehlern in der endgültigen Struktur führen. Wird eine Fehlausrichtung beobachtet, muss die voreingestellte Positionierung der X- und Y-Richtung mit einem Versatz in Z-Richtung im G-Code bei jedem Druckschritt neu ausgerichtet werden, bis die beiden Druckköpfe perfekt ausgerichtet sind. Um präzise ausgerichtete Greiferstrukturen fehlerfrei zu erreichen, wurden an den vier Ecken kleine würfelförmige Kalibriermarkierungen eingefügt, um die Mitte jeder Struktur zu erhalten.
Der Soft-Hybrid-Greifer übernahm eine Pick-and-Place-Aufgabe durch thermisch ansprechende Betätigung und magnetische Fortbewegung. Zunächst wurde eine thermisch ansprechende Betätigung des Soft-Hybrid-Greifers beobachtet. Wenn die Temperatur über die niedrigere kritische Lösungstemperatur (LCST) stieg, schrumpfte das NIPAM-basierte Gel und die Greiferspitze schloss sich aufgrund der Entquellung des NIPAM-basierten Hydrogels. Im Gegensatz dazu öffnete sich die Greiferspitze des weichen Hybridgreifers, wenn die Temperatur aufgrund der Quellung des NIPAM-basierten Hydrogels unter die LCST sank (Abbildung 4A). Darüber hinaus haben wir überprüft, dass die Einarbeitung von Ferrogel die Faltung des weichen Hybridgreifers bei Temperaturänderungen nicht beeinflusst.
Ein einfaches Labyrinth mit einem 3D-Drucker wurde hergestellt, mit DI-Wasser gefüllt und auf eine Kochplatte gelegt. Der vollständig geschwollene Soft-Hybrid-Greifer wurde dann in offenem Zustand an der Startposition des Labyrinths platziert und Lachsrogen im Zielbereich platziert. Der Softhybridgreifer wurde mit einem externen Magneten bis zum Lachsrogen geführt. Dann schloss sich die Spitze des weichen Hybridgreifers, um den Lachsrogen zu greifen, wenn die Temperatur 40 °C erreichte. Schließlich wurde der weiche Hybridgreifer unter dem Halten des Lachsrogens aus dem Labyrinth bewegt und dann den Lachsrogen im offenen Zustand bei einer Raumtemperatur von 25 °C am Zielbereich freigesetzt (Abbildung 4B). Der Lachsrogen behielt seine Form ohne Schaden während der gesamten Pick-and-Place-Aufgabe. Zusätzlich wurden Neodym-Magnete verwendet, um den weichen Hybridgreifer während der magnetisch ansprechenden Fortbewegung zu führen.
Abbildung 1: Hydrogel-Präparation und Soft-Hybrid-Greifer-Design . (A) Hydrogel auf AAm-Basis. (B) Hydrogel auf NIPAM-Basis. (C) Ferrogel-Tinten. (D) Das weiche Hybrid-Greifer-Design, das mit AutoCAD und Slic3r-Software erstellt wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Herstellungsprozess für den 3D-Druck des Soft-Hybrid-Greifers . (A) Duale Druckmodi mit AAm-basiertem Hydrogel und NIPAM-basierten Hydrogel-Tinten. (B) Ferrogel-Schicht. (C) UV-Photohärtung. (D) Gleichgewichtszustand in DI-Wasser. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3. Fertigung des Soft-Hybrid-Greifers. (A) Äußere, nicht stimuli-responsive Aam-basierte Hydrogelschicht. (B) Innenstimuli-responsive NIPAM-basierte Hydrogelschicht. (C) Ferrogel-Schicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4. Betätigung und Fortbewegung des Soft-Hybrid-Greifers. (A) Thermisch ansprechende Betätigung des Soft-Hybrid-Greifers. (B) Demonstration von Pick-and-Place-Aufgaben mit dem Soft-Hybrid-Greifer. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
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Discussion
In Bezug auf die Materialauswahl für den Soft-Hybrid-Greifer wurde zunächst ein multi-responsives Materialsystem vorbereitet, das aus einem nicht stimuli-responsiven AAm-basierten Hydrogel, einem thermisch ansprechenden NIPAM-basierten Hydrogel und einem magnetisch ansprechenden Ferrogel besteht, damit der Soft-Hybrid-Greifer programmierbare Fortbewegung und Formumwandlung aufweisen kann. Aufgrund ihrer thermisch ansprechenden Quell-/Quelleigenschaften zeigen NIPAM-basierte Hydrogele Biegung, Faltung oder Faltenbildung, wenn sie als Doppelschicht- oder Zweistreifenstrukturen mit Hydrogelen mit unterschiedlichen Quelleigenschaften wie AAm-basierten Hydrogelen hergestellt werden1. Darüber hinaus können Hydrogele durch Einbettung von Eisenoxid (Fe2O3)-Nanopartikeln magnetisch ansprechend gestaltet werden. Wichtig ist, dass dieses Fe2O 3-inkorporierte Ferrogel auf Acrylamidbasis eine wichtige Rolle bei der Ermöglichung der magnetischen Reaktionsfähigkeit spielen kann, um eine weiche Roboter-Magnetfeld-getriebene Fortbewegung zu erleichtern. Insbesondere wurde vorgeschlagen, magnetisch ansprechende Hydrogele in ungebundenen Hydrogel-basierten weichen Robotersystemen zu verwenden, die weniger invasive Ansätze in dynamisch überladenen Umgebungen bietenwürden 32.
Wichtig ist, dass der Soft-Hybrid-Greifer eine gute Haftung zwischen den drei Hydrogelen erforderte. Wenn die Adhäsion schlecht ist, wird die Grenzfläche zwischen den Hydrogelen während wiederholter Quellung und Dequellung als Reaktion auf äußere Auslöser delaminiert. Insbesondere wurden Hydrogele auf Acrylamidbasis eingeführt, um eine gute Haftung unter der wiederholten thermisch und magnetisch ansprechenden Manipulation und Fortbewegung des Softhybridgreifers zu gewährleisten. Darüber hinaus wurde die Quellung und Quellung von thermisch ansprechenden NIPAM-basierten und nicht stimuli-responsiven AAm-basierten Hydrogelen verifiziert, um den Biegegrad des weichen Hybridgreifers zu antizipieren. Es sollte beachtet werden, dass ein Simulationsmodell, das auf dem thermodynamischen Rahmen mit Hydrogelquellen (z. B. dem Flory-Huggins-Modell) und der Mechanik (z. B. dem Neo-Hookean-Modell) basiert, helfen kann, das Ausmaß der Biegung als Funktion der Quellung und der Temperaturzu bestimmen 8. Basierend auf diesen experimentellen und theoretischen Charakterisierungen der Greiferfaltung wurde eine thermisch ansprechende NIPAM-basierte Hydrogelschicht für den inneren Teil und eine nicht stimuli-responsive AAm-basierte Hydrogelschicht für den äußeren Teil gewählt, um das Biegen der Greifspitzen in die Mitte bei steigenden Temperaturen zu ermöglichen.
In Bezug auf die Herstellung des Soft-Hybrid-Greifers können mit unserem vierdimensionalen (4D) zeitabhängigen Druckverfahren vielfältige stimuli-responsive Softroboter mit einem breiten Größenbereich von Millimetern bis Zentimetern erstellt werden. In jüngster Zeit hat die Kombination von 4D-Druck und stimuli-responsiven intelligenten Materialien einen neuen Weg für die Entwicklung intelligenter 3D-Strukturen eröffnet, die formwandelbar sind, wenn sie einer geeigneten Reizquelle ausgesetzt werden. Zusammen mit der 4D-Drucktechnik unter Verwendung eines programmierbaren stimuli-responsiven Hydrogels können verschiedene 3D-Druckpfade von stimuli-responsiven Materialien unterschiedliche endgültige geschwollene Geometrien aufweisen, die unterschiedliche gekrümmte, gerollte, gefaltete oder spiralförmige Strukturen aufweisen26. Die Entwicklung dieser innovativen 4D-Druckstrategie hat aufgrund ihrer signifikanten Skalierbarkeit und Herstellbarkeit für die Schaffung intelligenter stimuli-responsiver Softroboter große Aufmerksamkeit erregt.
Der 4D-Druck diverser Hydrogele erfordert jedoch mehrere Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Erstens ist die Reaktionszeit für die formveränderbare Betätigung von 4D-gedruckten Hydrogelen eher langsam. Eine weitere Feinabstimmung der Hydrogelzusammensetzung, die in funktionelle Materialien (z. B. Nanopartikel, niedrigdimensionale Materialien, Flüssigkristalle und sogar biologische DNAs) integriert ist, ist erforderlich, um die Reaktionszeit zu verbessern. Darüber hinaus müssen die Positionierkalibrierung der Z-Richtung und die Ausrichtung der X-Y-Richtungen bei jedem Schritt während des dualen Druckprozesses überprüft werden. Um einen kontinuierlichen Druckprozess ohne Fehlausrichtung zu erhalten, müssen die voreingestellten Werte in X-, Y- und Z-Richtung in den G-Code-Dateien doppelt überprüft und mehrfach wiederholt werden, bis die Druckköpfe perfekt ausgerichtet sind.
Aus Anwendungsperspektive werden in diesem Beitrag thermisch und magnetisch ansprechende Softhybridgreifer vorgestellt, die aktiv Pick-and-Place-Aufgaben ausführen. Der sequentielle Prozess des sicheren Greifens und sicheren Haltens eines Objekts ist in der Softrobotik von entscheidender Bedeutung. Der stimuliresponsive Soft Gripper hat die Möglichkeit gezeigt, ein intelligentes Manipulationssystem zu entwickeln, das Objekte präzise greifen und freigeben kann, in einer weniger invasiven oder nicht-invasiven Weise entsprechend dem externen Reize On-Off-Prozess32. In jüngerer Zeit wurden parallel Ultraschallbild-gekoppelte Gradienten-Magnetfeldsysteme entwickelt, um die automatisierte Fortbewegung eines Softgreifers für präzise Pick-and-Place-Aufgaben zu erreichen33. Obwohl noch auf der konzeptionellen Ebene, erwarten wir, dass dieses spezifische Protokoll für den 4D-Druck eines weichstimuli-responsiven Hybridgreifers eine Grundlage für weitere signifikante Fortschritte in der Entwicklung von präzise steuerbaren, hochempfindlichen und multifunktionalen Smart Stimuli-responsiven Softrobotern bilden wird.
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Disclosures
Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.
Acknowledgments
Die Autoren danken für die Unterstützung durch das von der koreanischen Regierung (MSIT) finanzierte Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) (No.2022R1F1A1074266).
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
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