Stampa quadridimensionale di robot morbidi a base di idrogel sensibili agli stimoli
Summary
Questo manoscritto descrive una strategia di stampa 4D per la fabbricazione di robot morbidi intelligenti sensibili agli stimoli. Questo approccio può fornire le basi per facilitare la realizzazione di sistemi robotici morbidi trasformabili in forma intelligente, inclusi manipolatori intelligenti, elettronica e sistemi sanitari.
Abstract
Il presente protocollo descrive la creazione di robot morbidi quadridimensionali (4D), dipendenti dal tempo, mutabili dalla forma, sensibili agli stimoli utilizzando un metodo di bio-stampa tridimensionale (3D). Recentemente, le tecniche di stampa 4D sono state ampiamente proposte come nuovi metodi innovativi per lo sviluppo di robot morbidi trasformabili dalla forma. In particolare, la trasformazione della forma dipendente dal tempo 4D è un fattore essenziale nella robotica morbida perché consente alle funzioni efficaci di verificarsi al momento e nel luogo giusto quando innescate da segnali esterni, come calore, pH e luce. In linea con questa prospettiva, i materiali sensibili agli stimoli, tra cui idrogel, polimeri e ibridi, possono essere stampati per realizzare sistemi robotici morbidi trasformabili in modo intelligente. L’attuale protocollo può essere utilizzato per fabbricare pinze morbide termicamente sensibili composte da idrogel a base di N-isopropilacrilammide (NIPAM), con dimensioni complessive che vanno da millimetri a centimetri di lunghezza. Si prevede che questo studio fornirà nuove direzioni per la realizzazione di sistemi robotici morbidi intelligenti per varie applicazioni in manipolatori intelligenti (ad esempio, pinze, attuatori e macchine pick-and-place), sistemi sanitari (ad esempio, capsule di farmaci, strumenti per biopsia e microchirurgia) ed elettronica (ad esempio, sensori indossabili e fluidica).
Introduction
Lo sviluppo di robot morbidi sensibili agli stimoli è importante sia dal punto di vista tecnico che intellettuale. Il termine robot morbidi sensibili agli stimoli si riferisce generalmente a dispositivi / sistemi composti da idrogel, polimeri, elastomeri o ibridi che mostrano cambiamenti di forma in risposta a segnali esterni, come calore, pH e luce 1,2,3,4. Tra i molti robot morbidi sensibili agli stimoli, i robot morbidi a base di idrogel N-isopropilacrilammide (NIPAM) eseguono i compiti o le interazioni desiderati utilizzando la trasformazione spontanea della forma 5,6,7,8. Generalmente, gli idrogel a base di NIPAM presentano una bassa temperatura critica della soluzione (LCST) e gonfiore (idrofilia al di sotto della LCST) e degonfiamento (idrofobicità sopra l’LCST) cambiamenti di proprietà si verificano all’interno del sistema idrogel vicino a temperature fisiologiche tra 32 ° C e 36 ° C 9,10. Questo meccanismo reversibile di rigonfiamento-degonfiore vicino al punto di transizione critico acuto dell’LCST può generare la trasformazione della forma dei robot morbidi in idrogel a base di NIPAM2. Di conseguenza, i robot morbidi in idrogel a base di NIPAM termicamente reattivi hanno migliorato le operazioni, come camminare, afferrare, strisciare e rilevare, che sono importanti nei manipolatori multifunzionali, nei sistemi sanitari e nei sensori intelligenti 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20,21.
Nella fabbricazione di robot morbidi sensibili agli stimoli, gli approcci di stampa tridimensionale (3D) sono stati ampiamente impiegati utilizzando un processo additivo diretto strato per strato22. Una varietà di materiali, come plastica e idrogel morbidi, può essere stampata con la stampa 3D23,24. Recentemente, la stampa 4D è stata ampiamente evidenziata come una tecnica innovativa per la creazione di robot morbidi programmabili in forma25,26,27,28. Questa stampa 4D si basa sulla stampa 3D e la caratteristica principale della stampa 4D è che le strutture 3D possono cambiare le loro forme e proprietà nel tempo. La combinazione di stampa 4D e idrogel sensibili agli stimoli ha fornito un altro percorso innovativo per creare dispositivi 3D intelligenti che cambiano forma nel tempo quando esposti a trigger di stimolo esterni appropriati, come calore, pH, luce e campi magnetici ed elettrici25,26,27,28 . Lo sviluppo di questa tecnica di stampa 4D utilizzando diversi idrogel sensibili agli stimoli ha fornito un’opportunità per l’emergere di robot morbidi trasformabili in forma che mostrano multifunzionalità con velocità di risposta e sensibilità di feedback migliorate.
Questo studio descrive la creazione di una pinza morbida termicamente reattiva guidata dalla stampa 3D che visualizza la trasformazione della forma e la locomozione. In particolare, la procedura specifica descritta può essere utilizzata per fabbricare vari robot morbidi multifunzionali con dimensioni complessive che vanno dal millimetro al centimetro scale di lunghezza. Infine, si prevede che questo protocollo possa essere applicato in diversi campi, tra cui robot morbidi (ad esempio, attuatori intelligenti e robot di locomozione), elettronica flessibile (ad esempio, sensori optoelettrici e lab-on-a-chip) e sistemi sanitari (ad esempio, capsule di somministrazione di farmaci, strumenti per biopsia e dispositivi chirurgici).
Protocol
Representative Results
Discussion
In termini di selezione del materiale per la pinza ibrida morbida, è stato preparato per la prima volta un sistema di materiali multi-reattivo composto da un idrogel a base di AAm non sensibile agli stimoli, un idrogel a base di NIPAM termicamente reattivo e un ferrogel magnetico sensibile per consentire alla pinza ibrida morbida di mostrare locomozione programmabile e trasformazione della forma. A causa delle loro proprietà di rigonfiamento e rigonfiamento termicamente reattive, gli idrogel a base di NIPAM mostrano fl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno della sovvenzione della National Research Foundation of Korea (NRF) finanziata dal governo coreano (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 |
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