刺激応答性ハイドロゲル系ソフトロボットの4次元印刷

刺激応答性ソフトロボットの開発は、技術的にも知的にも重要です。刺激応答性ソフトロボットという用語は、一般に、熱、pH^{、および光}1,2,3,4などの外部手がかりに応答して形状変化を示すヒドロゲル、ポリマー、エラストマー、またはハイブリッドで構成されるデバイス/システムを指す。多くの刺激応答性ソフトロボットの中で、N-イソプロピルアクリルアミド(NIPAM)ヒドロゲルベースのソフトロボットは、自発的な^{形状変換5,6,7,8}を用いて所望のタスクまたは相互作用を実行する。一般に、NIPAMベースのヒドロゲルは低い臨界溶解温度(LCST)を示し、膨潤(LCST未満の親水性)および脱膨潤(LCSTを超える疎水性)特性の変化は、32°C〜36°Cの間の生理学的温度付近のヒドロゲル系内で生じる^9,10。LCSTの鋭い臨界転移点付近のこの可逆的な膨潤・脱膨潤機構は、NIPAM系ハイドロゲルソフトロボット²の形状変態を発生させることができる。その結果、熱応答性NIPAMベースのヒドロゲルソフトロボットは、多機能マニピュレータ、ヘルスケアシステム、およびスマートセンサにおいて重要な歩行、把持、クロール、センシングなどの操作を改善しました²、³、⁴、^11、12、¹³、^14、15、¹⁶、^17、 18,19,20,21。

刺激応答性ソフトロボットの製造において、直接層ごとの付加プロセス²²を用いた3次元(3D)印刷アプローチが広く採用されている。プラスチックや柔らかいヒドロゲルなどのさまざまな材料を3D印刷で印刷できます^23,24。最近、4D印刷は、形状プログラム可能なソフトロボットを作成するための革新的な技術として広く強調されている^25,26,27,28。この4D印刷は3D印刷に基づいており、4D印刷の主な特徴は、3D構造が時間の経過とともに形状や特性を変化させることができることです。4D印刷と刺激応答性ヒドロゲルの組み合わせは、熱、pH、光、磁場および電場などの適切な外部刺激トリガーにさらされると時間の経過とともに形状が変化するスマート3Dデバイスを作成するための別の革新的なルートを提供しました^25,26,27,28.多様な刺激応答性ヒドロゲルを用いたこの4D印刷技術の開発は、応答速度とフィードバック感度が向上した多機能性を示す形状変形可能なソフトロボットの出現の機会を提供しました。

この研究では、形状変換と移動を表示する3D印刷駆動の熱応答性ソフトグリッパーの作成について説明します。特に、記載された特定の手順は、ミリメートルからセンチメートルの長さスケールの範囲の全体サイズを有する様々な多機能ソフトロボットを製造するために利用することができる。最後に、このプロトコルは、ソフトロボット(スマートアクチュエータや移動ロボットなど)、フレキシブルエレクトロニクス(光電センサーやラボオンチップなど)、ヘルスケアシステム(ドラッグデリバリーカプセル、生検ツール、手術装置など)など、いくつかの分野に適用できることが期待されています。