자극반응형 하이드로겔 기반 소프트 로봇의 4차원 프린팅
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.
Protocol
Representative Results
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 하이드로겔1</…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 한국 정부(MSIT)가 지원하는 한국연구재단(NRF) 보조금(No.2022R1F1A1074266)의 지원에 감사드립니다.
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 |
References
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