طباعة رباعية الأبعاد للروبوتات اللينة القائمة على الهيدروجيل المستجيبة للمحفزات
Summary
تصف هذه المخطوطة استراتيجية الطباعة 4D لتصنيع الروبوتات اللينة الذكية المستجيبة للمحفزات. يمكن أن يوفر هذا النهج الأساس لتسهيل تحقيق أنظمة روبوتية ناعمة ذكية قابلة للتحويل ، بما في ذلك المتلاعبين الأذكياء والإلكترونيات وأنظمة الرعاية الصحية.
Abstract
يصف البروتوكول الحالي إنشاء روبوتات ناعمة رباعية الأبعاد (4D) ، تعتمد على الوقت ، قابلة لتغيير الشكل ، مستجيبة للمحفزات باستخدام طريقة الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد (3D). في الآونة الأخيرة ، تم اقتراح تقنيات الطباعة 4D على نطاق واسع كطرق جديدة مبتكرة لتطوير الروبوتات اللينة القابلة للتحويل. على وجه الخصوص ، يعد تحويل الشكل المعتمد على الوقت 4D عاملا أساسيا في الروبوتات اللينة لأنه يسمح بحدوث وظائف فعالة في الوقت والمكان المناسبين عند تشغيلها بواسطة إشارات خارجية ، مثل الحرارة ودرجة الحموضة والضوء. تماشيا مع هذا المنظور ، يمكن طباعة المواد المستجيبة للمحفزات ، بما في ذلك الهلاميات المائية والبوليمرات والهجينة ، لتحقيق أنظمة روبوتية ناعمة ذكية قابلة للتحويل. يمكن استخدام البروتوكول الحالي لتصنيع القابضات اللينة المستجيبة حراريا والتي تتكون من الهلاميات المائية القائمة على N-isopropylacrylamide (NIPAM) ، بأحجام إجمالية تتراوح من ملليمترات إلى سنتيمترات في الطول. من المتوقع أن توفر هذه الدراسة اتجاهات جديدة لتحقيق أنظمة روبوتية ناعمة ذكية لمختلف التطبيقات في المتلاعبين الأذكياء (على سبيل المثال ، القابضون والمحركات وآلات الالتقاط والمكان) ، وأنظمة الرعاية الصحية (على سبيل المثال ، كبسولات الأدوية ، وأدوات الخزعة ، والعمليات الجراحية الدقيقة) ، والإلكترونيات (على سبيل المثال ، أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء والسوائل).
Introduction
يعد تطوير الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات أمرا مهما من المنظورين التقني والفكري. يشير مصطلح الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات عموما إلى الأجهزة / الأنظمة المكونة من الهلاميات المائية أو البوليمرات أو اللدائن أو الهجينة التي تظهر تغيرات في الشكل استجابة للإشارات الخارجية ، مثل الحرارة ودرجة الحموضة والضوء1،2،3،4. من بين العديد من الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات ، تقوم الروبوتات اللينة القائمة على الهيدروجيل N-isopropylacrylamide (NIPAM) بالمهام أو التفاعلات المطلوبة باستخدام تحويل الشكل التلقائي5،6،7،8. بشكل عام ، تظهر الهلاميات المائية القائمة على NIPAM درجة حرارة منخفضة للمحلول الحرج (LCST) ، ويحدث تورم (محبة للماء أقل من LCST) وإزالة التورم (الكارهة للماء فوق LCST) داخل نظام الهيدروجيل بالقرب من درجات الحرارة الفسيولوجية بين 32 درجة مئوية و 36 درجة مئوية 9,10. يمكن لآلية التورم وإزالة التورم القابلة للانعكاس هذه بالقرب من نقطة الانتقال الحرجة الحادة ل LCST أن تولد تحولا في شكل روبوتات هيدروجيل لينة قائمة على NIPAM2. نتيجة لذلك ، قامت روبوتات هيدروجيل لينة القائمة على NIPAM المستجيبة للحرارة بتحسين العمليات ، مثل المشي والإمساك والزحف والاستشعار ، والتي تعتبر مهمة في المتلاعبين متعددي الوظائف وأنظمة الرعاية الصحية وأجهزة الاستشعار الذكية2،3،4،11،12،13،14،15،16،17 ، 18،19،20،21.
في تصنيع الروبوتات اللينة المستجيبة للمحفزات ، تم استخدام مناهج الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) على نطاق واسع باستخدام عملية مضافة مباشرة طبقة تلو الأخرى22. يمكن طباعة مجموعة متنوعة من المواد ، مثل البلاستيك والهلاميات المائية الناعمة ، باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد23,24. في الآونة الأخيرة ، تم تسليط الضوء على الطباعة 4D على نطاق واسع كتقنية مبتكرة لإنشاء روبوتات لينة قابلة للبرمجة الشكل25،26،27،28. تعتمد هذه الطباعة 4D على الطباعة ثلاثية الأبعاد ، والسمة الرئيسية للطباعة 4D هي أن الهياكل ثلاثية الأبعاد يمكنها تغيير أشكالها وخصائصها بمرور الوقت. وقد وفر الجمع بين الطباعة 4D والهلاميات المائية المستجيبة للمحفزات طريقا مبتكرا آخر لإنشاء أجهزة 3D ذكية تغير شكلها بمرور الوقت عند تعرضها لمحفزات التحفيز الخارجية المناسبة ، مثل الحرارة ودرجة الحموضة والضوء والمجالات المغناطيسية والكهربائية25،26،27،28 . وقد أتاح تطوير تقنية الطباعة 4D هذه باستخدام الهلاميات المائية المتنوعة المستجيبة للمحفزات فرصة لظهور روبوتات ناعمة قابلة للتحويل الشكل تعرض وظائف متعددة مع سرعات استجابة محسنة وحساسية للتغذية المرتدة.
تصف هذه الدراسة إنشاء القابض الناعم المستجيب حراريا الذي يحركه الطباعة 3D والذي يعرض تحول الشكل والحركة. والجدير بالذكر أنه يمكن استخدام الإجراء المحدد الموصوف لتصنيع العديد من الروبوتات اللينة متعددة الوظائف بأحجام إجمالية تتراوح من مقاييس الطول المليمترية إلى السنتيمترية. أخيرا ، من المتوقع أن يتم تطبيق هذا البروتوكول في العديد من المجالات ، بما في ذلك الروبوتات اللينة (على سبيل المثال ، المحركات الذكية وروبوتات الحركة) ، والإلكترونيات المرنة (على سبيل المثال ، أجهزة الاستشعار الكهروضوئية والمختبر على رقاقة) ، وأنظمة الرعاية الصحية (على سبيل المثال ، كبسولات توصيل الأدوية وأدوات الخزعة والأجهزة الجراحية).
Protocol
Representative Results
Discussion
فيما يتعلق باختيار المواد للقابض الهجين الناعم ، تم إعداد نظام مواد متعدد الاستجابة يتكون من هيدروجيل قائم على AAm غير مستجيب للمحفزات ، وهيدروجيل قائم على NIPAM مستجيب حراريا ، و ferrogel مستجيب مغناطيسي لأول مرة للسماح للقابض الهجين الناعم بإظهار حركة قابلة للبرمجة وتحويل الشكل. نظرا لخصائصها …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يقر المؤلفون بامتنان بالدعم المقدم من منحة المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) الممولة من الحكومة الكورية (MSIT) (رقم 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 |
References
- 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).
