Impressão quadridimensional de robôs macios à base de hidrogel responsivos a estímulos
Summary
Este manuscrito descreve uma estratégia de impressão 4D para fabricar robôs macios inteligentes responsivos a estímulos. Essa abordagem pode fornecer as bases para facilitar a realização de sistemas robóticos macios inteligentes transformáveis em formas, incluindo manipuladores inteligentes, eletrônicos e sistemas de saúde.
Abstract
O presente protocolo descreve a criação de robôs macios quadridimensionais (4D), dependentes do tempo, mutáveis por forma e responsivos a estímulos, usando um método de bioimpressão tridimensional (3D). Recentemente, as técnicas de impressão 4D têm sido extensivamente propostas como novos métodos inovadores para o desenvolvimento de robôs macios transformáveis em forma. Em particular, a transformação de forma dependente do tempo 4D é um fator essencial na robótica suave, pois permite que funções eficazes ocorram no momento e no local certos quando desencadeadas por sinais externos, como calor, pH e luz. De acordo com essa perspectiva, materiais responsivos a estímulos, incluindo hidrogéis, polímeros e híbridos, podem ser impressos para realizar sistemas robóticos macios inteligentes e transformáveis em formas. O protocolo atual pode ser usado para fabricar garras macias termicamente responsivas compostas de hidrogéis à base de N-isopropilacrilamida (NIPAM), com tamanhos gerais que variam de milímetros a centímetros de comprimento. Espera-se que este estudo forneça novas direções para a realização de sistemas robóticos macios inteligentes para várias aplicações em manipuladores inteligentes (por exemplo, garras inteligentes, atuadores e máquinas pick-and-place), sistemas de saúde (por exemplo, cápsulas de medicamentos, ferramentas de biópsia e microcirurgias) e eletrônicos (por exemplo, sensores vestíveis e fluídicos).
Introduction
O desenvolvimento de robôs macios responsivos a estímulos é importante do ponto de vista técnico e intelectual. O termo robôs macios responsivos a estímulos geralmente se refere a dispositivos/sistemas compostos por hidrogéis, polímeros, elastômeros ou híbridos que exibem mudanças de forma em resposta a pistas externas, como calor, pH e luz 1,2,3,4. Dentre os muitos robôs macios responsivos a estímulos, os robôs macios à base de hidrogel à base de hidrogel N-isopropilacrilamida (NIPAM) realizam as tarefas ou interações desejadas usando transformação espontânea de forma 5,6,7,8. Geralmente, os hidrogéis à base de NIPAM exibem uma baixa temperatura crítica da solução (LCST), e alterações de propriedade de inchaço (hidrofilicidade abaixo da LCST) e desinchamento (hidrofobicidade acima da LCST) ocorrem dentro do sistema de hidrogel perto de temperaturas fisiológicas entre 32 °C e 36 °C 9,10. Este mecanismo reversível de inchaço-desinchamento perto do ponto crítico de transição acentuado do LCST pode gerar a transformação da forma de robôs macios de hidrogel à base de NIPAM2. Como resultado, os robôs macios de hidrogel à base de NIPAM termicamente responsivos melhoraram as operações, como andar, agarrar, rastejar e detectar, que são importantes em manipuladores multifuncionais, sistemas de saúde e sensores inteligentes 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Na fabricação de robôs macios responsivos a estímulos, abordagens de impressão tridimensional (3D) têm sido amplamente empregadas usando um processo aditivo direto camada por camada22. Uma variedade de materiais, como plásticos e hidrogéis macios, pode ser impressa com impressão 3D23,24. Recentemente, a impressão 4D tem sido amplamente destacada como uma técnica inovadora para a criação de robôs macios programáveisem forma 25,26,27,28. Esta impressão 4D é baseada na impressão 3D, e a principal característica da impressão 4D é que as estruturas 3D podem mudar suas formas e propriedades ao longo do tempo. A combinação de impressão 4D e hidrogéis responsivos a estímulos forneceu outra rota inovadora para criar dispositivos 3D inteligentes que mudam de forma ao longo do tempo quando expostos a gatilhos de estímulo externos apropriados, como calor, pH, luz e campos magnéticos e elétricos25,26,27,28 . O desenvolvimento desta técnica de impressão 4D usando diversos hidrogéis responsivos a estímulos proporcionou uma oportunidade para o surgimento de robôs macios transformáveis em forma que exibem multifuncionalidade com velocidades de resposta aprimoradas e sensibilidade ao feedback.
Este estudo descreve a criação de uma garra macia termicamente responsiva acionada por impressão 3D que exibe a transformação da forma e a locomoção. Notavelmente, o procedimento específico descrito pode ser utilizado para fabricar vários robôs macios multifuncionais com tamanhos gerais que variam de escalas de milímetro a centímetro de comprimento. Finalmente, espera-se que esse protocolo possa ser aplicado em vários campos, incluindo robôs macios (por exemplo, atuadores inteligentes e robôs de locomoção), eletrônica flexível (por exemplo, sensores optoelétricos e laboratório em um chip) e sistemas de saúde (por exemplo, cápsulas de liberação de medicamentos, ferramentas de biópsia e dispositivos cirúrgicos).
Protocol
Representative Results
Discussion
Em termos de seleção de material para a garra híbrida macia, um sistema de material multi-responsivo composto por um hidrogel à base de AAm não responsivo a estímulos, um hidrogel à base de NIPAM termicamente responsivo e um ferrogel responsivo magnético foi preparado pela primeira vez para permitir que a garra híbrida macia exibisse locomoção programável e transformação de forma. Devido às suas propriedades de inchaço-desinchamento termicamente responsivas, os hidrogéis à base de NIPAM exibem flexão, …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecem o apoio da subvenção da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (NRF) financiada pelo governo coreano (MSIT) (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 |
Referências
- 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. Advances in engineering hydrogels. Science. 356 (6337), (2017).
- Erol, O., Pantula, A., Liu, W., Gracias, D. H. Transformer hydrogels: A review. Advanced Materials Technologies. 4 (4), 1900043 (2019).
- Liu, X., Liu, J., Lin, S., Zhao, X. Hydrogel machines. Materials Today. 36, 102-124 (2020).
- 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. Stimuli-responsive polymer gels. Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).
- Stuart, M. A., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).
- Ionov, L. Biomimetic hydrogel-based actuating systems. Advanced Functional Materials. 23 (36), 4555-4570 (2013).
- 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. Hydrogel soft robotics. Materials Today Physics. 15, 100258 (2020).
- 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. Biomimetic 4D printing. Nature Materials. 15, 413-418 (2016).
- Momeni, F., Hassani, S. M., Liu, X., Ni, J. A review of 4D printing. Materials & Design. 125, 42-79 (2017).
- 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).
