הדפסה ארבע-ממדית של רובוטים רכים מבוססי הידרוג'ל המגיבים לגירויים
Summary
כתב יד זה מתאר אסטרטגיית הדפסה בתלת-ממד לייצור רובוטים רכים חכמים המגיבים לגירויים. גישה זו יכולה לספק את הקרקע כדי להקל על מימושן של מערכות רובוטיות רכות חכמות הניתנות לשינוי צורה, כולל מניפולטורים חכמים, אלקטרוניקה ומערכות בריאות.
Abstract
הפרוטוקול הנוכחי מתאר את יצירתם של רובוטים רכים ארבע-ממדיים (4D), תלויי-זמן, הניתנים לשינוי צורה, המגיבים לגירויים, באמצעות שיטת הדפסה ביולוגית תלת-ממדית (3D). לאחרונה, טכניקות הדפסה 4D הוצעו בהרחבה כשיטות חדשות וחדשניות לפיתוח רובוטים רכים הניתנים לשינוי צורה. בפרט, טרנספורמציה של צורה תלוית זמן 4D היא גורם חיוני ברובוטיקה רכה מכיוון שהיא מאפשרת לפונקציות יעילות להתרחש בזמן ובמקום הנכונים כאשר הן מופעלות על ידי רמזים חיצוניים, כגון חום, pH ואור. בהתאם לפרספקטיבה זו, ניתן להדפיס חומרים המגיבים לגירויים, כולל הידרוג’לים, פולימרים והיברידים, כדי לממש מערכות רובוטיות רכות חכמות הניתנות לשינוי צורה. ניתן להשתמש בפרוטוקול הנוכחי כדי לייצר אחיזות רכות המגיבות תרמית המורכבות מהידרוג’לים מבוססי N-איזופרופילאקרילאמיד (NIPAM), עם גדלים כוללים הנעים בין מילימטרים לסנטימטרים באורך. צפוי כי מחקר זה יספק כיוונים חדשים למימוש מערכות רובוטיות רכות חכמות עבור יישומים שונים במניפולטורים חכמים (למשל, אחיזות, מפעילים ומכונות איסוף ומקום), מערכות בריאות (למשל, כמוסות תרופות, כלי ביופסיה ומיקרו-כירורגיה), ואלקטרוניקה (למשל, חיישנים לבישים ונוזלים).
Introduction
הפיתוח של רובוטים רכים המגיבים לגירויים חשוב הן מבחינה טכנית והן מבחינה אינטלקטואלית. המונח רובוטים רכים המגיבים לגירויים מתייחס בדרך כלל למכשירים/מערכות המורכבים מהידרוג’לים, פולימרים, אלסטומרים או בני כלאיים המציגים שינויי צורה בתגובה לרמזים חיצוניים, כגון חום, pH ואור 1,2,3,4. בין הרובוטים הרכים הרבים המגיבים לגירויים, רובוטים רכים מבוססי הידרוג’ל מסוג N-איזופרופילאקרילמיד (NIPAM) מבצעים את המשימות או האינטראקציות הרצויות באמצעות טרנספורמציית צורה ספונטנית 5,6,7,8. באופן כללי, הידרוג’לים מבוססי NIPAM מציגים טמפרטורת תמיסה קריטית נמוכה (LCST), ונפיחות (הידרופיליות מתחת ל- LCST) והתייבשות (הידרופוביות מעל LCST) מתרחשים בתוך מערכת ההידרוג’ל בסמוך לטמפרטורות פיזיולוגיות בין 32 °C ל- 36°C 9,10 ° C. מנגנון היפוך זה של נפיחות-נפיחות ליד נקודת המעבר הקריטית החדה של ה-LCST יכול ליצור את שינוי הצורה של רובוטים רכים הידרוג’ל מבוססי NIPAM2. כתוצאה מכך, רובוטים רכים הידרוג’ל מבוססי NIPAM המגיבים תרמית שיפרו פעולות, כגון הליכה, אחיזה, זחילה וחישה, החשובים במניפולטורים רב-תכליתיים, מערכות בריאות וחיישנים חכמים 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
בייצור רובוטים רכים המגיבים לגירויים, נעשה שימוש נרחב בגישות הדפסה תלת-ממדיות (3D) באמצעות תהליך תוסף ישיר שכבה אחר שכבה22. ניתן להדפיס מגוון חומרים, כגון פלסטיק והידרוג’ל רך, בהדפסת תלת מימד23,24. לאחרונה, הדפסת 4D הודגשה בהרחבה כטכניקה חדשנית ליצירת רובוטים רכים הניתנים לתכנות צורה 25,26,27,28. הדפסה תלת-ממדית זו מבוססת על הדפסה תלת-ממדית, והמאפיין העיקרי של הדפסה ב-4D הוא שהמבנים התלת-ממדיים יכולים לשנות את הצורות והמאפיינים שלהם עם הזמן. השילוב של הדפסה בתלת-ממד והידרוג’לים המגיבים לגירויים סיפק נתיב חדשני נוסף ליצירת התקני תלת-ממד חכמים המשנים את צורתם לאורך זמן כאשר הם נחשפים לגורמי גירוי חיצוניים מתאימים, כגון חום, pH, אור ושדות מגנטיים וחשמליים25,26,27,28 . הפיתוח של טכניקת הדפסה 4D זו באמצעות הידרוג’לים מגוונים המגיבים לגירויים סיפק הזדמנות להופעתם של רובוטים רכים הניתנים לשינוי צורה המציגים רב-תכליתיות עם מהירויות תגובה משופרות ורגישות למשוב.
מחקר זה מתאר את יצירתו של אובייקט אחיזה רך בעל יכולת תגובה תרמית המונעת על-ידי הדפסה תלת-ממדית, המציג טרנספורמציה ותנועה של צורה. יש לציין כי ניתן להשתמש בהליך הספציפי המתואר כדי לייצר רובוטים רכים רב-תכליתיים שונים בגדלים הכוללים הנעים בין סולמות באורך מילימטר לסנטימטר. לבסוף, צפוי כי פרוטוקול זה יכול להיות מיושם במספר תחומים, כולל רובוטים רכים (למשל, מפעילים חכמים ורובוטי תנועה), אלקטרוניקה גמישה (למשל, חיישנים אופטואלקטריים ומעבדה על שבב) ומערכות בריאות (למשל, כמוסות אספקת תרופות, כלי ביופסיה ומכשירים כירורגיים).
Protocol
Representative Results
Discussion
במונחים של בחירת חומרים עבור האחיזה ההיברידית הרכה, מערכת חומרים רב-רספונסיבית המורכבת מהידרוג’ל מבוסס AAm שאינו מגיב לגירויים, הידרוג’ל מבוסס NIPAM מגיב תרמית, ופרוג’ל מגיב מגנטית הוכן לראשונה כדי לאפשר לאחיזה ההיברידית הרכה להציג שינוי תנועה וצורה הניתנים לתכנות. הודות לתכונות הנפיחות-נפיח…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים על תמיכה ממענק קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF) במימון ממשלת קוריאה (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).
