Self-Folding Thermo-Magnetically Responsive Soft Microgrippers

材料科学 自愈水凝胶 聚合物 复合材料 模数 夹持器 多孔性 纳米技术 高分子化学 机械工程 工程类
作者
Joyce C. Breger,ChangKyu Yoon,Rui Xiao,Hye Rin Kwag,Martha O. Wang,John P. Fisher,Thao D. Nguyen,David H. Gracias
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:7 (5): 3398-3405 被引量:522
标识
DOI:10.1021/am508621s
摘要

Hydrogels such as poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) (pNIPAM-AAc) can be photopatterned to create a wide range of actuatable and self-folding microstructures. Mechanical motion is derived from the large and reversible swelling response of this cross-linked hydrogel in varying thermal or pH environments. This action is facilitated by their network structure and capacity for large strain. However, due to the low modulus of such hydrogels, they have limited gripping ability of relevance to surgical excision or robotic tasks such as pick-and-place. Using experiments and modeling, we design, fabricate, and characterize photopatterned, self-folding functional microgrippers that combine a swellable, photo-cross-linked pNIPAM-AAc soft-hydrogel with a nonswellable and stiff segmented polymer (polypropylene fumarate, PPF). We also show that we can embed iron oxide (Fe2O3) nanoparticles into the porous hydrogel layer, allowing the microgrippers to be responsive and remotely guided using magnetic fields. Using finite element models, we investigate the influence of the thickness and the modulus of both the hydrogel and stiff polymer layers on the self-folding characteristics of the microgrippers. Finally, we illustrate operation and functionality of these polymeric microgrippers for soft robotic and surgical applications.
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