उत्तेजना-उत्तरदायी हाइड्रोगेल-आधारित सॉफ्ट रोबोट की चार आयामी प्रिंटिंग
Summary
यह पांडुलिपि बुद्धिमान उत्तेजना-उत्तरदायी नरम रोबोट बनाने के लिए एक 4 डी प्रिंटिंग रणनीति का वर्णन करती है। यह दृष्टिकोण स्मार्ट मैनिपुलेटर्स, इलेक्ट्रॉनिक्स और हेल्थकेयर सिस्टम सहित बुद्धिमान आकार-परिवर्तनीय नरम रोबोट सिस्टम की प्राप्ति को सुविधाजनक बनाने के लिए आधार प्रदान कर सकता है।
Abstract
वर्तमान प्रोटोकॉल तीन आयामी (3 डी) बायो-प्रिंटिंग विधि का उपयोग करके चार-आयामी (4 डी), समय-निर्भर, आकार-परिवर्तनीय, उत्तेजना-उत्तरदायी नरम रोबोट के निर्माण का वर्णन करता है। हाल ही में, 4 डी प्रिंटिंग तकनीकों को आकार-परिवर्तनीय नरम रोबोट विकसित करने के लिए अभिनव नए तरीकों के रूप में बड़े पैमाने पर प्रस्तावित किया गया है। विशेष रूप से, 4 डी समय-निर्भर आकार परिवर्तन नरम रोबोटिक्स में एक आवश्यक कारक है क्योंकि यह गर्मी, पीएच और प्रकाश जैसे बाहरी संकेतों द्वारा ट्रिगर होने पर सही समय और स्थान पर प्रभावी कार्यों को होने की अनुमति देता है। इस परिप्रेक्ष्य के अनुरूप, हाइड्रोगेल, पॉलिमर और संकर सहित उत्तेजना-उत्तरदायी सामग्री को स्मार्ट आकार-परिवर्तनीय नरम रोबोट सिस्टम का एहसास करने के लिए मुद्रित किया जा सकता है। वर्तमान प्रोटोकॉल का उपयोग एन-आइसोप्रोपिलैक्रिलामाइड ( एनआईपीएएम) आधारित हाइड्रोगेल से बने थर्मली उत्तरदायी नरम ग्रिपर बनाने के लिए किया जा सकता है, जिसमें लंबाई में मिलीमीटर से सेंटीमीटर तक का समग्र आकार होता है। यह उम्मीद की जाती है कि यह अध्ययन स्मार्ट मैनिपुलेटर्स (जैसे, ग्रिपर, एक्ट्यूएटर और पिक-एंड-प्लेस मशीन), हेल्थकेयर सिस्टम (जैसे, ड्रग कैप्सूल, बायोप्सी टूल्स और माइक्रोसर्जरी), और इलेक्ट्रॉनिक्स (जैसे, पहनने योग्य सेंसर और फ्लूइडिक्स) में विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए बुद्धिमान नरम रोबोट सिस्टम को साकार करने के लिए नई दिशाएं प्रदान करेगा।
Introduction
उत्तेजना-उत्तरदायी नरम रोबोट का विकास तकनीकी और बौद्धिक दोनों दृष्टिकोणों से महत्वपूर्ण है। उत्तेजना-उत्तरदायी नरम रोबोट शब्द आम तौर पर हाइड्रोगेल, पॉलिमर, इलास्टोमर्स या संकर से बने उपकरणों / प्रणालियों को संदर्भित करता है जो बाहरी संकेतों, जैसे गर्मी, पीएच और प्रकाश 1,2,3,4 के जवाब में आकार परिवर्तन प्रदर्शित करते हैं। कई उत्तेजनाओं-उत्तरदायी नरम रोबोटों में से, एन-आइसोप्रोपिलैक्रिलामाइड (एनआईपीएएम) हाइड्रोगेल-आधारित नरम रोबोट सहज आकार परिवर्तन 5,6,7,8 का उपयोग करके वांछित कार्य या इंटरैक्शन करते हैं। आम तौर पर, एनआईपीएएम-आधारित हाइड्रोगेल कम महत्वपूर्ण समाधान तापमान (एलसीएसटी) प्रदर्शित करते हैं, और सूजन (एलसीएसटी के नीचे हाइड्रोफिलिसिटी) और सूजन (एलसीएसटी के ऊपर हाइड्रोफोबिसिटी) संपत्ति परिवर्तन 32 डिग्री सेल्सियस और 36 डिग्री सेल्सियस 9,10 के बीच शारीरिक तापमान के पास हाइड्रोगेल सिस्टम के अंदर होते हैं। एलसीएसटी के तेज महत्वपूर्ण संक्रमण बिंदु के पास यह प्रतिवर्ती सूजन-सूजन तंत्र एनआईपीएएम-आधारित हाइड्रोगेल सॉफ्ट रोबोट 2 के आकार परिवर्तन को उत्पन्न करसकता है। नतीजतन, थर्मल रूप से उत्तरदायी एनआईपीएएम-आधारित हाइड्रोगेल सॉफ्ट रोबोट ने संचालन में सुधार किया है, जैसे चलना, पकड़ना, रेंगना और संवेदन, जो बहुक्रियाशील मैनिपुलेटर्स, हेल्थकेयर सिस्टम और स्मार्ट सेंसर 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17 में महत्वपूर्ण हैं। 18,19,20,21.
उत्तेजना-उत्तरदायी नरम रोबोटों के निर्माण में, तीन-आयामी (3 डी) मुद्रण दृष्टिकोण को व्यापक रूप से प्रत्यक्ष परत-दर-परत योजक प्रक्रिया22 का उपयोग करके नियोजित किया गया है। प्लास्टिक और नरम हाइड्रोगेल जैसी विभिन्न सामग्रियों को 3 डी प्रिंटिंग23,24 के साथ मुद्रित किया जा सकता है। हाल ही में, 4 डी प्रिंटिंग को आकार-प्रोग्राम करने योग्य नरम रोबोट 25,26,27,28 बनाने के लिए एक अभिनव तकनीक के रूप में बड़े पैमाने पर उजागर किया गया है। यह 4 डी प्रिंटिंग 3 डी प्रिंटिंग पर आधारित है, और 4 डी प्रिंटिंग की मुख्य विशेषता यह है कि 3 डी संरचनाएं समय के साथ अपने आकार और गुणों को बदल सकती हैं। 4 डी प्रिंटिंग और उत्तेजना-उत्तरदायी हाइड्रोगेल के संयोजन ने स्मार्ट 3 डी उपकरणों को बनाने के लिए एक और अभिनव मार्ग प्रदान किया है जो उपयुक्त बाहरी उत्तेजना ट्रिगर्स, जैसे गर्मी, पीएच, प्रकाश और चुंबकीय और विद्युतक्षेत्रों 25,26,27,28 के संपर्क में आने पर समय के साथ आकार बदलते हैं . विविध उत्तेजना-उत्तरदायी हाइड्रोगेल का उपयोग करके इस 4 डी प्रिंटिंग तकनीक के विकास ने आकार-परिवर्तनीय नरम रोबोटों के उद्भव के लिए एक अवसर प्रदान किया है जो बेहतर प्रतिक्रिया गति और प्रतिक्रिया संवेदनशीलता के साथ बहुक्रियाशीलता प्रदर्शित करते हैं।
यह अध्ययन एक 3 डी प्रिंटिंग-संचालित थर्मली उत्तरदायी नरम ग्रिपर के निर्माण का वर्णन करता है जो आकार परिवर्तन और हरकत प्रदर्शित करता है। विशेष रूप से, वर्णित विशिष्ट प्रक्रिया का उपयोग मिलीमीटर से सेंटीमीटर लंबाई के तराजू तक के समग्र आकार के साथ विभिन्न बहुक्रियाशील नरम रोबोटों को बनाने के लिए किया जा सकता है। अंत में, यह उम्मीद की जाती है कि इस प्रोटोकॉल को कई क्षेत्रों में लागू किया जा सकता है, जिसमें नरम रोबोट (जैसे, स्मार्ट एक्ट्यूएटर और लोकोमोशन रोबोट), लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स (जैसे, ऑप्टोइलेक्ट्रिकल सेंसर और लैब-ऑन-ए-चिप), और हेल्थकेयर सिस्टम (जैसे, ड्रग डिलीवरी कैप्सूल, बायोप्सी टूल और सर्जिकल डिवाइस) शामिल हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
नरम हाइब्रिड ग्रिपर के लिए सामग्री चयन के संदर्भ में, एक गैर-उत्तेजना-उत्तरदायी एएम-आधारित हाइड्रोगेल, एक थर्मल रूप से उत्तरदायी एनआईपीएएम-आधारित हाइड्रोगेल और एक चुंबकीय-उत्तरदायी फेरोजेल से बना एक…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक कोरियाई सरकार (एमएसआईटी) (संख्या 2022 आर 1 एफ 1 ए 1074266) द्वारा वित्त पोषित कोरिया के राष्ट्रीय अनुसंधान फाउंडेशन (एनआरएफ) अनुदान से समर्थन को कृतज्ञतापूर्वक स्वीकार करते हैं।
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 |
Referências
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