Четырехмерная печать чувствительных к стимулам мягких роботов на основе гидрогеля
Summary
Эта рукопись описывает стратегию 4D-печати для изготовления интеллектуальных мягких роботов, реагирующих на стимулы. Этот подход может обеспечить основу для облегчения реализации интеллектуальных формотрансформируемых мягких роботизированных систем, включая интеллектуальные манипуляторы, электронику и системы здравоохранения.
Abstract
Настоящий протокол описывает создание четырехмерных (4D), зависящих от времени, изменяющих форму, реагирующих на стимулы мягких роботов с использованием трехмерного (3D) метода биопечати. В последнее время методы 4D-печати широко предлагаются в качестве инновационных новых методов разработки формообразуемых мягких роботов. В частности, 4D-трансформация формы, зависящая от времени, является важным фактором в мягкой робототехнике, поскольку она позволяет выполнять эффективные функции в нужное время и в нужном месте, когда они запускаются внешними сигналами, такими как тепло, рН и свет. В соответствии с этой перспективой материалы, реагирующие на стимулы, включая гидрогели, полимеры и гибриды, могут быть напечатаны для реализации интеллектуальных формообразуемых мягких роботизированных систем. Текущий протокол может быть использован для изготовления термочувствительных мягких захватов, состоящих из гидрогелей на основе N-изопропилакриламида (NIPAM), с общими размерами от миллиметров до сантиметров в длину. Ожидается, что это исследование предоставит новые направления для реализации интеллектуальных мягких роботизированных систем для различных применений в интеллектуальных манипуляторах (например, захваты, приводы и машины для подбора и размещения), системах здравоохранения (например, капсулы с лекарствами, инструменты для биопсии и микрохирургии) и электронике (например, носимые датчики и флюидики).
Introduction
Разработка чувствительных к стимулам мягких роботов важна как с технической, так и с интеллектуальной точек зрения. Термин чувствительные к стимулам мягкие роботы обычно относится к устройствам / системам, состоящим из гидрогелей, полимеров, эластомеров или гибридов, которые демонстрируют изменения формы в ответ на внешние сигналы, такие как тепло, рН и свет 1,2,3,4. Среди множества реагирующих на стимулы мягких роботов мягкие роботы на основе гидрогеля N-изопропилакриламида (NIPAM) выполняют желаемые задачи или взаимодействия с использованием спонтанного преобразования формы 5,6,7,8. Как правило, гидрогели на основе NIPAM демонстрируют низкую критическую температуру раствора (LCST), а изменения свойств набухания (гидрофильность ниже LCST) и набухания (гидрофобность выше LCST) происходят внутри гидрогелевой системы вблизи физиологических температур между 32 ° C и 36 ° C 9,10. Этот обратимый механизм набухания-набухания вблизи резкой критической точки перехода LCST может генерировать преобразование формы мягких гидрогелевых роботов на основе NIPAM2. В результате термочувствительные гидрогелевые мягкие роботы на основе NIPAM имеют улучшенные операции, такие как ходьба, захват, ползание и зондирование, которые важны в многофункциональных манипуляторах, системах здравоохранения и интеллектуальных датчиках 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
При изготовлении чувствительных к стимулам мягких роботов широко используются подходы трехмерной (3D) печати с использованием прямого послойного аддитивного процесса22. Различные материалы, такие как пластмассы и мягкие гидрогели, могут быть напечатаны с помощью 3D-печати23,24. В последнее время 4D-печать широко освещается как инновационная техника для создания программируемых мягких роботов 25,26,27,28. Эта 4D-печать основана на 3D-печати, и ключевой характеристикой 4D-печати является то, что 3D-структуры могут менять свои формы и свойства с течением времени. Сочетание 4D-печати и гидрогелей, реагирующих на стимулы, обеспечило еще один инновационный путь для создания интеллектуальных 3D-устройств, которые со временем меняют форму при воздействии соответствующих внешних триггеров стимулов, таких как тепло, рН, свет, магнитные и электрические поля 25,26,27,28 . Разработка этой техники 4D-печати с использованием разнообразных реагирующих на стимулы гидрогелей предоставила возможность для появления формотрансформируемых мягких роботов, которые демонстрируют многофункциональность с улучшенными скоростями отклика и чувствительностью обратной связи.
Это исследование описывает создание термочувствительного мягкого захвата на основе 3D-печати, который отображает трансформацию формы и передвижение. Примечательно, что конкретная описанная процедура может быть использована для изготовления различных многофункциональных мягких роботов с общими размерами от миллиметра до сантиметра. Наконец, ожидается, что этот протокол может быть применен в нескольких областях, включая мягких роботов (например, интеллектуальные приводы и роботы для передвижения), гибкую электронику (например, оптоэлектрические датчики и лабораторию на чипе) и системы здравоохранения (например, капсулы для доставки лекарств, инструменты для биопсии и хирургические устройства).
Protocol
Representative Results
Discussion
Что касается выбора материала для мягкого гибридного захвата, впервые была подготовлена многочувствительная система материалов, состоящая из гидрогеля на основе AAm, не реагирующего на стимулы, термочувствительного гидрогеля на основе NIPAM и магнитно-чувствительного феррогеля, чтобы п?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы с благодарностью отмечают поддержку гранта Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемого корейским правительством (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 |
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).
