这份手稿描述了一种4D打印策略,用于制造智能刺激响应软机器人。这种方法可以为促进智能形状可变形软机器人系统的实现提供基础,包括智能机械手、电子和医疗保健系统。
本协议描述了使用三维(3D)生物打印方法创建四维(4D),时间依赖性,形状可变,刺激响应软机器人。最近,4D打印技术被广泛提出作为开发形状可变形软机器人的创新新方法。特别是,4D随时间变化的形状转换是软机器人中的一个重要因素,因为它允许在由外部线索(如热,pH和光)触发时在正确的时间和地点发生有效的功能。根据这一观点,可以打印刺激响应材料,包括水凝胶、聚合物和杂化材料,以实现智能形状可变形的软机器人系统。目前的协议可用于制造由 N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)基水凝胶组成的热响应软夹具,整体尺寸从毫米到厘米不等。预计本研究将为智能机械手(如抓手、执行器和拾取和放置机)、医疗保健系统(如药物胶囊、活检工具和显微手术)和电子(如可穿戴传感器和流体)等各种应用的智能软机器人系统提供新的方向。
从技术和智力的角度来看,刺激响应软机器人的开发都很重要。术语刺激响应软机器人通常是指由水凝胶、聚合物、弹性体或混合体组成的设备/系统,这些设备/系统响应外部线索(如热量、pH 值和光)而表现出形状变化1,2,3,4。在众多刺激响应软机器人中,基于N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)水凝胶的软机器人使用自发形状转换5,6,7,8执行所需的任务或相互作用。通常,基于NIPAM的水凝胶表现出低临界溶液温度(LCST),并且在32°C和36°C之间的生理温度附近的水凝胶系统内发生溶胀(亲水性低于LCST)和脱胀(疏水性高于LCST)性能变化9,10。LCST尖锐临界过渡点附近的这种可逆溶胀机制可以产生基于NIPAM的水凝胶软机器人2的形状转变。因此,基于热响应NIPAM的水凝胶软机器人具有改进的操作,例如行走,抓取,爬行和传感,这在多功能机械手,医疗保健系统和智能传感器中非常重要2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
在制造刺激响应软机器人时,三维(3D)打印方法已广泛使用,使用直接逐层加法工艺22。各种材料,如塑料和软水凝胶,可以用3D打印23,24打印。最近,4D打印被广泛强调为一种用于创建形状可编程软机器人25,26,27,28的创新技术。这种4D打印基于3D打印,4D打印的关键特征是3D结构可以随着时间的推移改变其形状和属性。4D打印和刺激响应水凝胶的结合提供了另一种创新途径,以创建智能3D设备,当暴露于适当的外部刺激触发器(如热,pH,光以及磁场和电场)时,这些设备会随着时间的推移而改变形状25,26,27,28.这种使用各种刺激响应水凝胶的4D打印技术的发展为形状可变形的软机器人的出现提供了机会,这些机器人具有更高的响应速度和反馈灵敏度,可以显示多功能性。
本研究描述了3D打印驱动的热响应软夹持器的创建,该夹具显示形状转换和运动。值得注意的是,所描述的特定程序可用于制造各种多功能软机器人,其整体尺寸范围从毫米到厘米长度尺度。最后,预计该协议可以应用于多个领域,包括软机器人(例如,智能执行器和运动机器人),柔性电子(例如,光电传感器和芯片实验室)和医疗保健系统(例如,药物输送胶囊,活检工具和手术设备)。
在软混合夹持器的材料选择方面,首先制备了由非刺激响应AAm基水凝胶、热响应NIPAM基水凝胶和磁响应铁凝胶组成的多响应材料体系,使软混合夹持器表现出可编程的运动和形状转换。由于其热响应溶胀-溶胀特性,基于NIPAM的水凝胶在用具有不同溶胀特性的水凝胶(例如AAm基水凝胶1)制造为双层或双条结构时表现出弯曲,折叠或起皱。此外,水凝胶可以通过嵌入氧化铁(Fe2</…
The authors have nothing to disclose.
作者非常感谢韩国政府(MSIT)资助的韩国国家研究基金会(NRF)资助的支持(No.2022R1F1A1074266)。
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×![]() |
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 |