Vierdimensionaler Druck von stimuli-responsiven Hydrogel-basierten Softrobotern
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).
Protocol
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 | Φ3× 0 |
| 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 |
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