Vierdimensionaler Druck von stimuli-responsiven Hydrogel-basierten Softrobotern

Die Entwicklung von stimuli-responsiven Softrobotern ist sowohl aus technischer als auch aus intellektueller Sicht wichtig. Der Begriff stimuli-responsive Softroboter bezieht sich im Allgemeinen auf Geräte / Systeme, die aus Hydrogelen, Polymeren, Elastomeren oder Hybriden bestehen, die Formänderungen als Reaktion auf äußere Signale wie Wärme, pH-Wert und Licht 1,2,3,4 aufweisen. Unter den vielen stimuli-responsiven weichen Robotern führen N-Isopropylacrylamid (NIPAM) Hydrogel-basierte weiche Roboter die gewünschten Aufgaben oder Interaktionen durch spontane Formtransformation 5,6,7,8 aus. Im Allgemeinen weisen die NIPAM-basierten Hydrogele eine niedrige kritische Lösungstemperatur (LCST) auf, und Quellungen (Hydrophilie unterhalb der LCST) und Quellung (Hydrophobie über der LCST) treten innerhalb des Hydrogelsystems in der Nähe physiologischer Temperaturen zwischen 32 °C und 36 °C auf ^9,10. Dieser reversible Quell-Entquellungsmechanismus in der Nähe des scharfen kritischen Übergangspunkts des LCST kann die Formtransformation von NIPAM-basierten Hydrogel-Softrobotern^{erzeugen 2}. Infolgedessen haben thermisch ansprechende NIPAM-basierte Hydrogel-Softroboter verbesserte Operationen wie Gehen, Greifen, Krabbeln und Erfassen, die in multifunktionalen Manipulatoren, Gesundheitssystemen und intelligenten Sensoren wichtig sind 2,3,4,11,12,13,14,15,16,17^, 18,19,20,21.

Bei der Herstellung von stimuli-responsiven weichen Robotern wurden dreidimensionale (3D) Druckansätze unter Verwendung eines direkten Schicht-für-Schicht-additiven Verfahrens weit verbreitet²². Eine Vielzahl von Materialien, wie Kunststoffe und weiche Hydrogele, können mit 3D-Druck^23,24 gedruckt werden. In jüngster Zeit wurde der 4D-Druck als innovative Technik zur Herstellung formprogrammierbarer weicher Roboter 25,26,27,28 ausführlich hervorgehoben. Dieser 4D-Druck basiert auf dem 3D-Druck, und das Hauptmerkmal des 4D-Drucks ist, dass die 3D-Strukturen ihre Formen und Eigenschaften im Laufe der Zeit ändern können. Die Kombination von 4D-Druck und stimuli-responsiven Hydrogelen hat einen weiteren innovativen Weg zur Herstellung intelligenter 3D-Geräte eröffnet, die im Laufe der Zeit ihre Form ändern, wenn sie geeigneten externen Reizauslösern wie Wärme, pH-Wert, Licht sowie magnetischen und elektrischen Feldern ausgesetzt sind^25,26,27,28 . Die Entwicklung dieser 4D-Drucktechnik unter Verwendung verschiedener stimuli-responsiver Hydrogele hat die Möglichkeit geboten, formwandelbare Softroboter zu entwickeln, die Multifunktionalität mit verbesserten Reaktionsgeschwindigkeiten und Rückkopplungsempfindlichkeit aufweisen.

Diese Studie beschreibt die Entwicklung eines 3D-druckgetriebenen, thermisch ansprechenden Softgreifers, der Formumwandlung und Fortbewegung anzeigt. Insbesondere kann das beschriebene spezifische Verfahren verwendet werden, um verschiedene multifunktionale Weichroboter mit Gesamtgrößen im Millimeter- bis Zentimeterlängenbereich herzustellen. Schließlich wird erwartet, dass dieses Protokoll in mehreren Bereichen angewendet werden kann, darunter weiche Roboter (z. B. intelligente Aktuatoren und Fortbewegungsroboter), flexible Elektronik (z. B. optoelektrische Sensoren und Lab-on-a-Chip) und Gesundheitssysteme (z. B. Medikamentenverabreichungskapseln, Biopsieinstrumente und chirurgische Geräte).