Name: free-form light actuators — fabrication and control of actuation in microscopic scale
Uploaded: 2016-05-25T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 17 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Free-form Light Actuators â€” Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale at JoVE.com

המחקר שהוביל את התוצאות הללו קיבלה מימון מהמועצה האירופית למחקר מטעם תכנית המסגרת השביעית של האיחוד האירופי (FP7 / 2007-2013) / o n הסכם מענק ERC [291,349] על רובוטיקה מיקרו פוטוניים מפרויקט SEED IIT Microswim. אנחנו גם מכירים תמיכה על ידי Ente קסה די Risparmio די פירנצה. אנו מודים אופטיקה כולו של קבוצת מערכות מורכבת ב- LENS משוב ודיונים.

הערה: פרוטוקול זה מכיל שלושה שלבים: IP-L צורמת כהכנה אוריינטציה מולקולרית LC, DLW באפיון actuation LCE ואור. סכמטית של מערכת הכתב לייזר ישירה מוצג באיור 1, בעוד מערכת מיקרו-מניפולציה מוצג באיור 5. 1. IP-L פומפיה תבנית הכנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוציא שקופית אחת מיקרוסקופ כיסוי (3 ס&quot;מ קוטר), ולנקות אותו עם רקמות העדשה באמצעות אצטון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מקום קצת מפרידים (microspheres זכוכית) בעזרת טיפ מתכת ב -3 נקודות שונות של שקופיות הזכוכית במרחק של כ 0.5 סנטימטרים ממרכזו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים עוד שקופיות מיקרוסקופ (1 ס&quot;מ קוטר) על החלק העליון של מפרידי. השתמש טיפ ללחוץ בעדינות על גבי שקופית הזכוכית העליונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח ירידה (כ 2 μl) של דבק ריפוי UV על שלוש נקודות שונות בהתאמה בגבול של הזכוכית העליונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפני הדבק חודר יותר מדי into הפער, להשתמש באור UV כדי לחזק את הדבק. התא נוצר עכשיו. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים ירידה (כ -10 μl) של שרף IP-L על הגבול של התא בעזרת פיפטה. מתן מספר דקות עד שהנוזלים הסתננו לתוך השטח של התא. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להשתמש בדבק כדי לתקן את הסלולרי על בעל המדגם ולמקם אותו לתוך מערכת כתב ליזר הישירה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר מטרת 100x, ולמצוא את הממשק על פני השטח הפנימיים העליונים, ואחריו תיקון הטיה על המשטח הזה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כתוב המבנים של דפוסי צורמת IP-L נועד עם כוח לייזר ומהירות סריקה של 6 מילי-ואט ו -60 מיקרומטר / sec, בהתאמה. דפוסי הצורמת מבוצעים על ידי עקומת IP-L או קווים ישרים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על שלבים 1.8 &amp; 1.9 על המשטח הפנימי התחתון. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח את התא, לטבול המדגם באמבט 2-propanol מבלי לפתוח את התא, במשך 12 - 24 שעות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח את התא מן הממס, ולייבש אותו על הצלחת החמה (50 מעלות צלזיוס) במשך 10 - 20 דקות. </li></ol> 2. ייצור מיקרו LCE <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדוד ~ 300 תערובת מונומר מ&quot;ג על כף המאזניים. ראה את ההרכב המולקולרי בטבלה 1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מכניסים את התערובת מוכנה בתוך בקבוק זכוכית, והניח אותו על סט צלחת חמה ב 70 - 80 מעלות צלזיוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חכו עד שכל נמס אבקת, להוסיף בוחש מגנטי, ומערבבים את התערובת במשך שעה 1 (90 - 150 סל&quot;ד). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את התא על צלחת חמה ב 60 מעלות צלזיוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח ירידה (כ -20 μl) של תערובת על קצה שקופיות הזכוכית הקטנות ולחכות עד שהנוזלים מחלחלים אל תוך התא. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מעבירים את תא אל מיקרוסקופ אופטי עם מקטב חצה לבין בקר טמפרטורה. שמור הכל בחושך במהלך ההעברה, ולשים מסנן כתום לפני מנורת תאורה לסנן את UV. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העלו את הטמפרטורה של התא מעל 60 מעלות צלזיוס באמצעות בקר טמפרטורה על המיקרוסקופ, ואז להקטין את הטמפרטורה (2 - 10 ° C לדקה), כדי למדוד את טווח הטמפרטורות עבור שלב LC. תערובת עם הרכב מולקולרי שונה יש טמפרטורת שלב LC שונה. שלב LC Nematic הומוגנית וניכר ידי התבוננות היפוך ניגודיות תמונה תוך כדי סיבוב המדגם כל 45 ° ביחס לצייר מקטב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תקן את התא על בעל מדגם, ולמקם אותו לתוך מערכת DLW, ולהגדיר את הטמפרטורה להגיע בשלב LC (נמדד צעד 2.7). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מצא את הממשק על המשטח הפנימי התחתון ולבצע תיקון ההטיה באמצעות מטרת 100X, או מטרת 10X בלי למצוא את הממשק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כתוב מבני LCE ידי השימוש DLW עם כוח ליזר ומהירות סריקה של 4 מילים-ואט ו -60 מיקרומטר / sec בשקופית הזכוכית הנמוכה באמצעות מטרת 100x. אחרת, להשתמש עם כוח לייזר ומהירות סריקה של 14 mW ו -60 מיקרומטר / sec באמצעות מטרה 10X (מבנה LCE הוא מפוברק ברחבי עובי המדגם). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח את התא, ולהשתמש להבלפתוח את תא הסרת שקופיות הזכוכית העליונה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לטבול את המבנים באמבט טולואן למשך 5 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח את המדגם, ויבש באוויר במשך 10 דקות. </li></ol> אפיון 3. Actuation אור של Microstructures LCE <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הנח את הדוגמה מיקרוסקופ אופטי (20X) ולהתמקד קרן לייזר (CW, 532 ננומטר, 50 - 500 מגה וואט) על ידי מטרה 10X על מבנים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימו עיוות האור הנגרמת על ידי מצלמת CMOS מיקרוסקופ אופטי (קצב הפריימים 25.8 fps). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש שליטה ידנית של מערכת מיקרו-מניפולציה (איור 5) לשים את קצה של כוס במיקום קרוב microstructures LCE. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעילו את לייזר בהספק נמוך (~ 20 mW), כדי להעלות את הטמפרטורה של LCE (עקב ספיגת האור), ובכך לרכך את המבנה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש קצה של כוס להרים מיקרו LCE אחד, והחזק אותו באוויר. תהליך זה נחוץ כדי למנוע את ההידבקות מ משטח זכוכית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חָבִית גְדוֹלָהדואר הלייזר אל הספק גבוה (&gt; 100 mW), ולבחון את שלה מעוות מבנה LCE. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> רשום את עיוות אור מושרה עם מצלמת מיקרוסקופ. </li></ol>

<ol>
	<li>Tanaka, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+cells+on+microchips:+New+technologies+and+applications.">Biological cells on microchips: New technologies and applications.</a> Biosens. Bioelectron. 23, 449-458 (2007).</li><li>Hierold, C., Jungen, A., Stampfer, C., Helbling, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano+electromechanical+sensors+based+on+carbon+nanotubes.">Nano electromechanical sensors based on carbon nanotubes.</a> Sensor. Actuator. A-Phys. 136 (1), 51-61 (2007).</li><li>van Oosten, C. L., Bastiaansen, C. W. M., Broer, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Printed+artificial+cilia+from+liquid-crystal+network+actuators+modularly+driven+by+light.">Printed artificial cilia from liquid-crystal network actuators modularly driven by light.</a> Nat. Mater. 8, 677-682 (2009).</li><li>Ulijn, R. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioresponsive+hydrogels.">Bioresponsive hydrogels.</a> Mater. today. 10 (4), 40-48 (2007).</li><li>Roy, D., Cambre, J. N., Sumerlin, B. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Future+perspectives+and+recent+advances+in+stimuli-responsive+materials.">Future perspectives and recent advances in stimuli-responsive materials.</a> Prog. Polym. Sci. 35 (1-2), 278-301 (2010).</li><li>Zeng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-Resolution+3D+Direct+Laser+Writing+for+Liquid-Crystalline+Elastomer+Microstructures.">High-Resolution 3D Direct Laser Writing for Liquid-Crystalline Elastomer Microstructures.</a> Adv.Mater. 26 (15), 2319-2322 (2014).</li><li>Ohm, C., Brehmer, M., Zentel, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+Crystalline+Elastomers+as+Actuators+and+Sensors.">Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors.</a> Adv. Mater. 22 (31), 3366-3387 (2010).</li><li>Zeng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alignment+engineering+in+liquid+crystalline+elastomers:+Free-form+microstructures+with+multiple+functionalities.">Alignment engineering in liquid crystalline elastomers: Free-form microstructures with multiple functionalities.</a> Appl. Phys. Lett. 106 (11), 111902 (2015).</li><li>Malinauskas, M., Farsari, M., Piskarskas, A., Juodkazis, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+laser+nanostructuring+of+photopolymers:+A+decade+of+advances.">Ultrafast laser nanostructuring of photopolymers: A decade of advances.</a> Phys. Rep. 533 (1), 1-31 (2013).</li><li>Liu, D., Bastiaansen, C. W. M., den Toonder, J. M. J., Broer, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photo-switchable+surface+topologies+in+chiral+nematic+coatings.">Photo-switchable surface topologies in chiral nematic coatings.</a> Angew. Chem. Int. Edit. 51 (4), 892-896 (2012).</li><li>Yang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micron-sized+main-chain+liquid+crystalline+elastomer+actuators+with+ultralarge+amplitude+contractions.">Micron-sized main-chain liquid crystalline elastomer actuators with ultralarge amplitude contractions.</a> J. Am. Chem. Soc. 131 (41), 15000-15004 (2009).</li><li>Yan, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-switchable+behavior+of+a+microarray+of+azobenzene+liquid+crystal+polymer+induced+by+photodeformation.">Light-switchable behavior of a microarray of azobenzene liquid crystal polymer induced by photodeformation.</a> Macromol. Rapid Commun. 33 (16), 1362-1367 (2012).</li><li>Liao, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alignment+of+liquid+crystal+molecules+in+a+micro-cell+fabricated+by+femtosecond+laser.">Alignment of liquid crystal molecules in a micro-cell fabricated by femtosecond laser.</a> Chem. Phys. Lett. 498, 188-191 (2010).</li><li>Zeng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-fueled+microscopic+walkers.">Light-fueled microscopic walkers.</a> Adv. Mater. 27, 3883-3887 (2015).</li><li>Flatae, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optically+controlled+elastic+microcavities.">Optically controlled elastic microcavities.</a> Light: Science &amp; Applications. 4, 282 (2015).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

הטכניקה מיקרו-צורמת אוריינטציה IP-L כבר משולב עם DLW להתמצא מונומרים גבישי נוזלי. The-מבנים מיקרו LCE לייזר כתוב בהמשך יכול להיות גם בדוגמת עם יישור מעוצב סולם מיקרו. טכניקה זו מאפשרת לנו ליצור אלמנטים LCE המתחם אשר יכול לתמוך פונקציות מרובות. עם יכולת יוצאת דופן ליצור microstructures 3D מדויק שליטת actuation, אנו מצפים בטכניקה זו כדי לשמש ביצירת רובוטים מיקרוסקופים מבוסס אלסטומר 14, ולפתוח שפע של אסטרטגיות חדשות עבור הקניית התקנים מתכוננים אור 15. ישנם שני שלבים קריטיים בהכנה. הראשון הוא ששתי כוסות התא צריך להיות דבוק בחוזקה (שלב 1.4, 1.5). דבק ריפוי UV שומר על היציבות של גיאומטרית התא במהלך הפיתוח: התנועה של כוס של התא בגין לקצה השני תגרום יישור גרועLCE. שנית, את מהירות כתיבת הליזר במהלך כתיבת מבנה LCE צריכה להיות גבוהה ככל האפשר, תוך מטרת 100x נבחרה. בשל הנפיחות החזקה של LCE במהלך תהליך כתיבת הליזר, המבנה הנפוח יזוז את המיקום המתוכנן, ובכך להשפיע על האיכות והמפעילים המפוברקים. במקרים מסוימים, deformability מושרה האור הוא ציין להתדרדר במבנים. זה יכול להיות בשל הלבנת לצבוע תחת עוצמת תאורה גבוהה. לאחר מולקולות הצבע כובו, מבנה LCE מתנהג כמדיום שקוף, ואת העיוות הקליטה / אור אור מושרה מודחק. כוח לייזר נמוך יהיה בטוח יותר עבור actuation של microstructures LCE. ישנם גם כמה חסרונות של שיטה זו. ראשית, את כל התהליך לוקח זמן רב יחסית. על מנת לשמור את תצורת התא, תהליך פיתוח IP-L הראשון (שנעשתה על ידי טבילת sample באמבט ממס) מתבצע 2-proponal מבלי לפתוח את התא. שעת הפיתוח ובכך תלוי בגודל התא ואת העובי של הפער, ובדרך כלל לוקחת 12 - 24 שעות. ההחלפה-L IP צורם עם דפוסים לכתיבת ליזר אחרים, כגון דפוס ליזר אבלציה מושרה ליזר מושרה משטח שינוי כימי, עלול לגרום יישור LC ו לירידה גדולה של זמן הייצור. שנית, LCE היא עניין רך אשר תמיד סובל הדבקה על מצע זכוכית. עיוות אור מושרה דוכאה כאשר microstructures מקל על פני השטח. שלישית, בעיצומה של המבנה הוא מוגבל על ידי העובי של התא ואת מרחק העבודה האובייקטיבי. במערכת בכתב לייזר, הגובה המקסימלי הוא כ -100 מיקרומטר. לאחרונה טכניקות הדפסת 3D שפותחו יכולות להיות מועמד טוב ליצירת מבנה LCE ומונע אור מכדור mesoscopic בקנה מידה מאקרוסקופי. עם זאת, שמירה על הכיוון המולקולרי במהלך פילמור יכולהלהיות הנושא של הדאגה העיקרית. טכניקה זו היא ייחודית משום מאפשר לאדם להשיג 3D ומפעיל בצורה חופשית על microscale באמת, דבר שאינו אפשרי עם טכניקות קיימות אחרות. microstructures LCE ניתן בדוגמת עם אוריינטציות ופונקציונליות מולקולריים שונים. יישום טכניקה כזו על ידי הנדסה כימית נוספת, יאפשר להפוך את והמפעילים רגישים מקורות גירוי אחרים ויפתח עד לפתח microrobots יעיל והתקנים פוטוניים רכים.

Microactuators הם מבנים מיקרוסקופיים שיכולים לשדר אנרגיה חיצוני להפעלת מנגנון או מערכת אחרת. בשל גודלו הקומפקטי ויכולת שליטה מרחוק, הם היו בשימוש נרחב במערכות מעבדה על שבב 1, מיקרו-חישה 2, ורובוטיקה מיקרו 3. המפעילים הזמינים עד כה יכולים לבצע פעולות פשוטות בלבד, כגון נפיחות / כווץ במטריצה ​​הידרוג&#39;ל 4, התכווצות / כיפוף 5 בכיוון אחד עם השדה החיצוני. למרות טכניקות שפותחו לאחרונה אפשרו לפברק מבנים actuating בקנה מידה מיקרוסקופי 6, זה עדיין אתגר גדול לשלוט actuations אלה בהיקף באותו אורך. מאמר זה מדווח על שיטה להכין אור 3D להפעיל microstructures עם תכונות actuation לשליטה. הטכניקה מבוססת על כתיבת ליזר ישירה (DLW), וזה בא לידי ביטוי ב אלסטומרים גבישי נוזלי (LCEs). LCEs הם sofפולימרי t סירוק רכושם של אלסטומר וכיוון גבישי נוזלי. חומרים אלו מסוגלים עיוות גדולה (20 - 400%) תחת סוגים שונים של גירויים חיצוניים 7. היתרון של שימוש LCEs עבור microactuators הוא הנוחות של הסדר המולקולרי הנדסה במבנים, אשר מאפשר שליטה על actuation ב בקנה מידה מיקרוסקופי 8. מונומרים LC מסונתזים עם מחצית acrylate, המאפשר פילמור-photo בשלב יחיד. מאפיין זה נותן גישה לסוגים שונים של טכניקות ליתוגרפיות עבור ייצור של microstructures 3D. אזו צבעים כמולקולות תגובת תמונה מקושרים לרשת הפולימר ידי תהליך שיתוף פילמור. מולקולות כאלה משלבות יכולת תגובת אור החזקה שלהם (טרנס isomerization cis) עם חימום מושרה לאור המערכת ונותן עיוות מבוקר אור. DLW היא טכניקה כדי להשיג מבני פולימר בתוך materi רגישאל על ידי שליטה מרחבית של קרן לייזר ממוקדת 9. DLW מאפשר יצירת מבנים בצורה חופשית 3D ב LCE מבלי לאבד את היישור המולקולרי 6. ישנם מספר יתרונות של DLW בייצור של microactuators LCE. ראשית, ההחלטה יכולה להגיע סולם submicron, ואת המבנים הם באמת 3D 6. דיווח בעבר LCE שיטות ייצור מיקרו, למשל., חשיפה רעולי פנים 10 העתק קריצה 11, סיפק רזולוצייה עד כ -10 מיקרומטר ויש לי רק גיאומטריה 2D. שנית, DLW הוא תהליך ייצור ללא מגע. בממיס מתאים יכול לפתח מבנים באיכות גבוהה שמירה על תצורה תוכנן. טכניקת דפוס העתק כמעט ולא נותנת ברזולוצית משנת מיקרון 12 ואת האיכות המבנית קשה לשלוט. שלישית, בכתב ליזר מספק אפשרויות צדדיות להתמצאות LC מקומית בקנה המידה המיקרוסקופי 8,13. בין סוגים שונים של טכניקות אוריינטציה LC, שפשוף הוא most דרך יעילה להתמצא מולקולות LC ויש בו נעשה שימוש נרחב בהכנה של סרט דק LCE. זו הושגה בדרך כלל על ידי שפשוף על שכבות פולימר ליצור microgrooves על המשטחים הפנימיים של תא הסתנן מונומרים LC. בשל השפעת עיגון השטח, microgrooves כאלה מסוגלים להתמצא מולקולת LC לאורך כיוון החריץ. DLW מאפשרת ייצור הישיר של אלה microgrooves על האזור הנבחר בכיוון תוכנן מראש עם דיוק גבוה הרבה יותר. כל התכונות הללו להפוך DLW טכניקה מושלמת, ייחודית עבור ייצור ובקרת actuation ב בקנה מידה מיקרוסקופי. בהתבסס על DLW, microstructures LCE ניתן בדוגמת עם אוריינטציות מולקולריים שונים. עם יישור המתחם בתוך מבנה LCE יחיד, actuations רב תכליתי להיות אפשרי. השיטה יכולה לשמש עבור ייצור של microactuators LCE עם כל סוג של תערובת מונומר LC. על ידי הנדסה כימית נוספת, אפשר להפוך אתומפעילים רגישים מקורות גירוי אחרים, למשל., לחות או תאורה באורך גל שונה.

<table><tbody><tr><td>Molecular: LC monomer</td><td>SYNTHON Chemicals GmbH &amp;amp; Co. KG</td><td>ST03866</td><td>~78 mol% in the mixture</td></tr><tr><td>Molecular: LC crosslinker</td><td>SYNTHON Chemicals GmbH &amp;amp; Co. KG</td><td>ST03021</td><td>20 mol% in the mixture</td></tr><tr><td>Molecular: Azo dye</td><td>Synthesis referring to Ref. 6</td><td></td><td>1 mol% in the mixture. Light sensitive component, can be excluded in the fabrication for heat driven actuators.</td></tr><tr><td>Molecular: Initiator</td><td>Sigma</td><td>Irgacure 369</td><td>1 - 2 mol% in the mixture</td></tr><tr><td>Spacer</td><td>Thermo scientific</td><td></td><td>Microsphere with diameter from 10 to 100 &amp;micro;m.</td></tr><tr><td>IP-L</td><td>Nanoscribe GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>UV curing glue</td><td>Homemade</td><td></td><td>IP-L with 1 wt% initiator (Irgacure 369)</td></tr><tr><td>Microscope cover slide</td><td>MENZEL-GL&amp;Auml;SER</td><td></td><td>Diameter: 1 or 3 mm, Thickness: 0.16 - 0.19 mm</td></tr><tr><td>UV LED lamp</td><td>Thorlabs</td><td>M385L2-C4</td><td>Wavelength: 385 &amp;#177; 10 nm</td></tr><tr><td>532 nm laser</td><td>Shanghai Dream Lasers</td><td>SDL-532-500T</td><td>500 mW laser</td></tr><tr><td>Direct Laser Writing system</td><td>Nanoscribe GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hot plate</td><td>Linkam Scientific Instruments Ltd.</td><td>PE120</td><td>Temperature range: -20 to 120 &amp;deg;C</td></tr><tr><td>Microscope</td><td>Zeiss</td><td>Axio Observer A1</td><td>With crossed polarizers</td></tr><tr><td>Micro-manipulator</td><td>Narishige</td><td>MHW-3</td><td></td></tr></tbody></table>

free-form light actuators &#8212; fabrication and control of actuation in microscopic scale

אלסטומרים גבישי נוזלי (LCEs) הם חכמים חומרים המסוגלים-שינוי צורה הפיכה בתגובה לגירויים חיצוניים, אשר משכו את תשומת לבם של חוקרים בתחומים רבים. רוב המחקרים התמקדו מבני LCE מקרוסקופית (סרטים, סיבים) ו המזעור שלהם הוא עדיין בחיתוליו. לאחרונה פיתחה טכניקות ליתוגרפיה, למשל., חשיפה מסכה העתק דפוס, רק לאפשר יצירת מבנים 2D על סרטים דקים LCE. בכתב לייזר ישיר (DLW) פותח גישה ייצור 3D באמת ב בקנה מידה מיקרוסקופי. עם זאת, שליטה על טופולוגיה actuation ודינמיקה באותו סולם אורך עדיין מהווה אתגר. במאמר זה אנו מדווחים על שיטה לשלוט גביש הנוזלי (LC) יישור מולקולרי microstructures LCE של צורה תלת-ממדית שרירותית. דבר זה התאפשר על ידי שילוב של כתיבה לייזר ישיר לשני המבנים LCE וכן דפוסים micrograting התרמהיישור LC מקומי. ישנם מספר סוגים של תבניות צורמות שמשו להציג מערכי LC שונים, אשר יכול להיות בדוגמת מכן לתוך מבני LCE. פרוטוקול זה מאפשר לאדם כדי לקבל microstructures LCE עם מערכים מהונדסים מסוגלים לבצע actuation אופטו-מכנים מרובים, ובכך להיות מסוגלים פונקציות מרובות. פניות ניתן לחזות בתחומי פוטוניקס מתכונן,-רובוטיקה מיקרו, מעבדה-על-שבב טכנולוגיה ועוד.

איור 1 מציג את ההגדרה האופטית לכתיבת ליזר. המערכת כוללת של סיב לייזר 780 ננומטר שהניבו 130 הדופק fsec בשיעור החזרה של 100 מגה-הרץ. קרן הלייזר משתקפת לטלסקופ כדי להתאים את פרופיל קרן הצמצם המטרה מיקרוסקופ אופטי שבו היא ממוקדת לתוך המדגם. על המיקרוסקופ, בשלב piezo 3D מותקן עם מגוון נסיעה 300 × 300 × 300 מיקרומטר 3 לתרגום מדגם עם מהירות מקסימלית של 100 מיקרומטר / sec ברזולוציה 2 ננומטר. באופן ליניארי אור מקוטב ממנורת אדום מאיר מדגם מלמעלה, ואילו התמונה נאספה בתחתית ידי אותו אובייקטיבי שמשתקפת מפצל קרן לתוך מצלמת CCD. לפני המצלמה, מקטב אחר משמש להשגת תאורת צלב מקוטבת עבור ניגודיות משופרת. איור 2 מציג את ELEC הסריקה<html> תמונות מיקרוסקופ טרון (SEM) של לייזר נכתב דפוסי micrograting IP-L (שלב 1). המרווח הגרוב הוא בטווח של 400 - 1,200 ננומטר, בעוד גובה החריצים (מלמעלה כלפי עמק) הוא סביב 700 ננומטר. דפוסי פומפייה עם נטיות שונות יכולים לגרום מערכי LC שונים, תלוי actuation הרצויה של אלמנט LCE. איור 3 מראה את הכיוון מונומר LC המושרה על ידי דפוסי IP-L צורמת (שלב 2.7). ראשית, ארבעה סוגים של דפוס צורם-מייקרו עם 100 × 100 מיקרומטר בגודל 2 כל היו מפוברקים משני צדי מתרס של תא זכוכית (סכמטי המוצג באיור 3 א). בשל עיגון השטח, המונומרים LC הסתננו כבר אורינטציה יחד עם כיוון קווים הצורמים, ובכך מפגינים היפוך לעומת 45 ° במיקרוסקופ האופטי המקוטב (POM) תמונה (איור 3 ב). גיל = &quot;1&quot;&gt; איור 4 מראה את תמונות SEM של נקודת ננו LCE / קו המפוברק ברשתות צורמות IP-L עם כיוון שונה (שלב 2.10). בתוך הרשת הצורמת, מבני LCE להיות מצומצמים יותר, עם עמידות גבוהה בהרבה להתפתחות טולואן. רוחב מינימאלי של LCE המנותק כבר נמדד להיות ~ 300 ננומטר, אשר עולה בקנה אחד עם ההחלטה של ​​DLW ללא דפוס הצורם. גישה מעניינת נוספת ליישום פוטוניים יכול להיות מימוש של מבנה תקופתי בקנה מידה גדול. איור 4 (ג, ד) מראה 2D LCE מבנים מחזוריים בתוך רשת מיקרו-צורמת. המערכים נשמרים היטב בתוך ננו אלה, כפי שניתן לראות בתמונות POM המוכנסות של איור 4 (ג, ד). עם זאת, מושרה אור עיוות יכולה שלא להיות מושגים ננו אלה. הסיבה לכך היא כי בתוך סורג IP-L, אלמנטי ננו-LCE כבר מרותקים מאוד הידבקות מונעת כל עיוותים נראות לעין. </p&gt; מערכת המניפולציה מיקרו מבוססת על מיקרוסקופ תוצרת בית שקף מוצגת באופן סכמטי באיור 5. מטרת 10X הוא קבועה על צינור עדשה מונח על קרש חיתוך אופטי עומד בהמאון. 730 ננומטר IR LED מקור אור משמש לתאורת דרך מפצל קרן שאינו מקוטב. בתמונה לידי נאספה על ידי אותה המטרה מוקרנת על המצלמה. ליזר רציף מוצק מדינת 532 ננומטר מצמיד אל המטרה על ידי הראה dichroic מסירה ארוכה (50% הולכת השתקפות ב 567 ננומטר) בזווית שכיחות של 45 מעלות. מד הכוח מודד את הקורה משודר לאחר המראה dichroic לגילוי בזמן אמת של כוח לייזר. נקודה לייזר ממוקדת רופף של ~ 150 מיקרומטר בקוטר מייצר עוצמת התאורה המקסימלית של ~ 10 W / 2 מ&quot;מ. עוצמת הלייזר נשלטת על ידי מסנן צפיפות ניטרלי משתנה להציב מול הלייזר. מתחת המטרה, TR 3D הידניבשלב anslation משמש לתרגום מדגם. שלב א &#39;חימום המותקן על במת התרגום משמש לשליטה מדויקת של הטמפרטורה מדגם בטווח מ -20 עד 120 ° C עם 0.5 ° C דיוק. שני טיפי זכוכית רכובים על שני שלבי תרגום ידניים הונחו בצד השמאל ובצד ימין, ליד עמדת המדגם. מבנה מניפולציה מיקרו יכול להתממש על ידי הזזת טיפים בזהירות בעזרת בשלבים התרגום. כדי להדגים את יישור וקורלציה דפורמציה, שאנחנו ממציאים לעצמנו ארבעה מבנים גליליים LCE עם 60 מיקרומטר בקוטר 20 מיקרומטר גובה. צילינדרים אלה נכתבים על ארבעה שונים צורמי אזורי IP-L אורינטציה (1 מיקרומטר תקופה). תחת עירור אור, הצבעים בתוך LCE יספגו את האור ולהעביר אותו לתוך הרשת. מבני LCE הם מתחממים, ולאחר מכן לעבור שלב מעבר (Nematic כדי איזוטרופיים). המעבר לשלב כזה הוא גם עזרעל ידי טרנס isomerization cis של צבע באותם גירויים אור. לפיכך, חוזה המבנים לאורך מנהל יישור LC המקורי ולהרחיב בכיוון ניצב 7. בהתאם מערכים מקומיים שונים המושרה על ידי שבכות IP-L, מבנים אלה לעוות לאורך כיוונים שונים, כפי שמוצג באיור 6 (שלב 3.1). טכניקה זו מאפשרת יצירה ומפעילי מתחם, אשר מכילים יותר מסוג אחד של יישור במבנה אחד. פס LCE 400 × 40 × 20 מיקרומטר 3 גודל עם שני חלקי התבנית יישור היה מפוברק, כמו סכמטי שמוצג באיור 7 (א). אלה סעיפים יישור מכילים כל אוריינטציה 90 ° מעוות בכיוון אחר. המשטח עם חוזי יישור במקביל, בעוד אחד עם יישור בניצב מרחיבה תחת תאורת אור. המבנה כבר picked על ידי מערכת המיקרומניפולציה, וכלאו אותו באוויר על ידי קצה של כוס. כיפוף זוגי נצפה תחת תאורת אור (שלב 3.3). קרן לייזר מווסתת (באמצעות המסוק אופטי) יכול לגרום דפורמציות מחזורית. LCE יכול להגיב בעקבות אפנון תדר לייזר (&gt; הרץ 1k). עם זאת, את המשרעת העיוות יורדת עם הגדלת תדר 14. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig1.jpg" /> איור 1: אופטי הגדרת עבור כתיבה לייזר לכוון אלומת לייזר 780 ננומטר (130 הדופק fsec, שיעור החזרה של 100 מגה-הרץ) מצמידים לתוך מיקרוסקופ וממוקד על ידי אובייקטיבי מיקרוסקופ אופטי לתוך המדגם.. שלב א &#39;פייזו 3D עם 300 × 300 × 300 מיקרומטר 3 טווח נסיעה משמש לתרגום המדגם במהלך חשיפת ליזר. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53744/53744fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג לה</a><html> גרסת rger של נתון זה. <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig2.jpg" /> איור 2:. תמונות SEM של IP-L מיקרו-לגדרות א) מבנה קו מקביל חד-כיווני. ב) דפוס רדיאלי צורם. סרגל קנה מידה:. 10 מיקרומטר <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53744/53744fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig3.jpg" /> איור 3:. IP-L מיקרו-צורמת להשרות כיווניות LC א) סכמטי של דפוסי מיקרו-צורמת המיועד האוריינטציה LC. ב) תמונה POM של האוריינטציה LC המושרה על ידי דפוסי micrograting. סרגל הסולם הוא 50 מיקרומטר. הצבע האדום הוא בשל מסנן המונע-פילמור התמונה.ge.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig4.jpg" /> איור 4:. תמונות SEM של ננו LCE מוטבע בתוך IP-L פומפיה רשתות א) ו- ב) שני דפוסים מיקרו-צורמת היו מפוברקות על ידי DLW לאורך כיוונים שונים, תוך nanodots LCE מיוצרים בתוך הרשת צורמת. ג) ו- ד) מבני ננו LCE התקופתי מוטבעים בתוך אותו הסוג של לגדרות IP-L. ריבועים הם תמונת POM של המבנים. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53744/53744fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig5.jpg" /> איור 5:. סכמטי של תוכנית ההתקנה מיקרומניפולציה לייזר המדינה 532 ננומטר מוצק CW מצמידים לתוך<html> תוצרת בית מערכת מיקרוסקופ. מטרת 10X משמשת הדמיה ומיקוד ליזר 532 ננומטר עירור. שני שלבי תרגום ידניים מצוידים מניפולטורים קצה של כוס משמשים מדגם מייקרו-מניפולציה. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53744/53744fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 6" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig6.jpg" /> איור 6: אור Actuation של LCE מיקרו-צילינדרים על ארבעה אזורים שונים IP-L Micrograting עם נטיות שונות א) ארבעה מבנים גליליים LCE עם 60 מיקרומטר בקוטר 20 מיקרומטר גובה, שנכתב על ארבע חוקיים שונה אזורים מיקרו-צורמת.. ב) בלוני LCE לעוות לאורך צירים שונים (תלוי המערכים מושרים הצורמים) כאשר הם נחשפים לקרינת ליזר 532 ננומטר (10 W מ&quot;מ -2). סרגל קנה מידה: 100 מיקרומטר.les / ftp_upload / 53,744 / 53744fig6large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 7" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig7.jpg" /> איור 7: אור מונחה דפורמציה של Microstructures LCE עם יישור מולקולרי מרובה א) סכמטי של שני חלקים מול 90 ° מערכים מעווים פס LCE יחיד.. ב) ו- C) תמונות אופטיות של 400 מיקרומטר פס LCE ארוך כיפוף בכיוונים מנוגדים תחת תאורת ליזר 532 ננומטר (מ&quot;מ W 3 -2) 8. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53744/53744fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Free-form Light Actuators â€” Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale at JoVE.com

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Here, we fabricate 3D polymeric micro/nano structures in which both the shape and the molecular alignment can be engineered with nanometer scale accuracy by the use of direct laser writing. Light induced deformation of several types of liquid crystalline elastomer microstructures can be controlled in the microscopic scale.

מתנעים אור בצורה חופשית - ייצור ובקרה של Actuation ב בקנה מידה מיקרוסקופי

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

free-form-light-actuators-fabrication-control-actuation-microscopic

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

9.2K Views.  University of Florence. Here, we fabricate 3D polymeric micro/nano structures in which both the shape and the molecular alignment can be engineered with nanometer scale accuracy by the use of direct laser writing. Light induced deformation of several types of liquid crystalline elastomer microstructures can be controlled in the microscopic scale.

Video: Free-form Light Actuators — Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Microfabricated Platforms for Mechanically Dynamic Cell Culture

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or fundamental cell biology studies is limited by current bioreactor technologies, which cannot simultaneously apply a variety of mechanical stimuli to cultured cells. In order to address this issue, we have developed a series of microfabricated platforms designed to screen for the effects of mechanical stimuli in a high-throughput format. In this protocol, we demonstrate the fabrication of a microactuator array of vertically displaced posts on which the technology is based, and further demonstrate how this base technology can be modified to conduct high-throughput mechanically dynamic cell culture in both two-dimensional and three-dimensional culture paradigms.

In this protocol, we demonstrate the fabrication of a microactuator array of vertically displaced posts on which the technology is based, and how this base technology can be modified to conduct high-throughput mechanically dynamic cell culture in both two-dimensional and three-dimensional culture paradigms.

פלטפורמות microfabricated לתרבות Cell דינמי מכאני

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or ...

Bioengineering

Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an elastomeric dielectric membrane sandwiched between two compliant electrodes. The large actuation strains of these transducers when used as actuators (over 300% area strain) and their soft and compliant nature has been exploited for a wide range of applications, including electrically tunable optics, haptic feedback devices, wave-energy harvesting, deformable cell-culture devices, compliant grippers, and propulsion of a bio-inspired fish-like airship. In most cases, DETs are made with a commercial proprietary acrylic elastomer and with hand-applied electrodes of carbon powder or carbon grease. This combination leads to non-reproducible and slow actuators exhibiting viscoelastic creep and a short lifetime. We present here a complete process flow for the reproducible fabrication of DETs based on thin elastomeric silicone films, including casting of thin silicone membranes, membrane release and prestretching, patterning of robust compliant electrodes, assembly and testing. The membranes are cast on flexible polyethylene terephthalate (PET) substrates coated with a water-soluble sacrificial layer for ease of release. The electrodes consist of carbon black particles dispersed into a silicone matrix and patterned using a stamping technique, which leads to precisely-defined compliant electrodes that present a high adhesion to the dielectric membrane on which they are applied.

This manuscript shows the fabrication process for the manufacture of dielectric elastomer soft actuators based on silicone membranes. The three key stages of production are presented in detail: blade casting of thin silicone membranes; pad printing of compliant electrodes; and the assembly of all the components.

תהליך ייצור של מפעילי אלסטומר דיאלקטרי מבוסס סיליקון

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an ...

Preparation of Liquid Crystal Networks for Macroscopic Oscillatory Motion Induced by Light

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous light irradiation. The photo-excitation of dopants that can quickly dissipate light into heat, coupled with anisotropic thermal expansion and self-shadowing of the film, gives rise to the self-sustained deformation. The oscillations observed are influenced by the dimensions and the modulus of the film, and by the directionality and intensity of the light. The system developed offers applications in energy conversion and harvesting for soft-robotics and automated systems.
The general method described here consists of creating free-standing liquid crystalline films and characterizing the mechanical and thermal effects observed. The molecular alignment is achieved using alignment layers (rubbed polyimide), commonly used in the display manufacturing industry. To obtain actuators with large deformation, the mesogens are aligned and polymerized in a splay/bend configuration, i.e., with the director of the liquid crystals (LCs) going gradually from planar to homeotropic through the film thickness. Upon irradiation, the mechanical and thermal oscillations obtained are monitored with a high-speed camera. The results are further quantified by image analysis using an image processing program.

The goal of the protocol is to create liquid crystalline polymer films that can mechanically oscillate under continuous light irradiation. We describe in great detail the conception of free-standing films, from the liquid crystal alignment method to the photo-actuation. The experimental protocol applied to prepare this material is broadly applicable.

הכנה של גביש נוזלי רשתות מאקרוסקופית תנועה מתנדנדות המושרה על ידי אור

A strategy based on doped liquid crystalline networks is described to create mechanical self-sustained oscillations of plastic films under continuous ...

Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation usually consists in the formation of droplets containing low molar mass liquid crystals at elevated temperatures. Subsequently, these particle precursors are oriented in the flow field of the capillary and solidified by a crosslinking polymerization, which produces the final actuating particles. The optimization of the process is necessary to obtain the actuating particles and the proper variation of the process parameters (temperature and flow rate) and allows variations of size and shape (from oblate to strongly prolate morphologies) as well as the magnitude of actuation. In addition, it is possible to vary the type of actuation from elongation to contraction depending on the director profile induced to the droplets during the flow in the capillary, which again depends on the microfluidic process and its parameters. Furthermore, particles of more complex shapes, like core-shell structures or Janus particles, can be prepared by adjusting the setup. By the variation of the chemical structure and the mode of crosslinking (solidification) of the liquid crystalline elastomer, it is also possible to prepare actuating particles triggered by heat or UV-vis irradiation.

This article describes the microfluidic process and parameters to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. This process allows the preparation of actuating particles and the variation of their size and shape (from oblate to strongly prolate, core-shell, and Janus morphologies) as well as the magnitude of actuation.

Microfluidic הכנת Elastomer גבישי נוזלי מפעילים

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation ...

Chemistry

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending deformation and low input. However, their monotonous bending motion form in two-dimensional (2-D) space keeps them away from wide applications. This paper presents a detailed fabrication method of soft pneumatic network actuators with oblique chambers, to explore their motions in three-dimensional (3-D) space. The design of oblique chambers enables actuators with tunable coupled bending and twisting capabilities, which gives them the possibility to move dexterously in flexible manipulators, to become biologically inspired robots and medical devices. The fabrication process is based on the molding method, including the silicone elastomer preparation, chamber and base parts fabrication, actuator assembly, tubing connections, checks for leaks, and actuator repair. The fabrication method guarantees the rapid manufacturing of a series of actuators with only a few modifications in the molds. The test results show the high quality of the actuators and their prominent bending and twisting capabilities. Experiments of the gripper demonstrate the advantages of the development in adapting to objects with different diameters and providing sufficient friction.

Here we present a fabrication method of soft pneumatic network actuators with oblique chambers. The actuators are capable of generating coupled bending and twisting motions, which broadens their application in soft robotics.

ייצור של מפעילים רשת פנאומטיים רך עם המלוכסן צ'יימברס

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a laser cutter machine. The method starts with the lamination of thermoplastic polyurethane (TPU) sheets using a heat press for 10 min at the temperature of ~93 &#176;C. Next, the parameters of the laser cutter machine are optimized to produce a rectangular balloon with maximum burst pressure. Using the optimized parameters, the soft actuators are laser cut/welded three times sequentially. Next, a dispensing needle is attached to the actuator, allowing it to be inflated. The effect of geometrical parameters on the deflection of the actuator are studied systematically by varying the channel width and length. Finally, the performance of the actuator is characterized using an optical camera and a fluid dispenser. Conventional fabrication methods of soft pneumatic actuators based on silicone molding are time consuming (several hours). They also result in strong but bulky actuators, which limits the actuator&#8217;s applications. Moreover, microfabrication of thin pneumatic actuators is both time-consuming and expensive. The proposed manufacturing method in the current work resolves these issues by introducing a fast, simple, and cost-effective fabrication method of ultrathin pneumatic actuators.

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with a thin form factor. The fabrication method starts with lamination of thermoplastic polyurethane (TPU) sheets followed by laser cutting/welding of a two-dimensional pattern to form actuators and robots.

הייצור המהיר של הפעילים הפניאומטיים והרובוטים הדקים

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a ...

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, compliant and biomimetic nature of this deformation, actuators made of the laminate have received increasing interest in soft robotics and (bio)medical applications. However, methods to easily fabricate the active material in large (even industrial) quantities and with a high batch-to-batch and within-batch repeatability are needed to transfer the knowledge from laboratory to industry. This protocol describes a simple, industrially scalable and reproducible method for the fabrication of ionic carbon-based electromechanically active capacitive laminates and the preparation of actuators made thereof. The inclusion of a passive and chemically inert (insoluble) middle layer (e.g., a textile-reinforced polymer network or microporous Teflon) distinguishes the method from others. The protocol is divided into five steps: membrane preparation, electrode preparation, current collector attachment, cutting and shaping, and actuation. Following the protocol results in an active material that can, for example, compliantly grasp and hold a randomly shaped object as demonstrated in the article.

This article describes a fast and simple manufacturing process of ionic electromechanically active composite materials for actuators in biomedical, biomimetic and soft robotics applications. The key fabrication steps, their importance for the actuators&#39; final properties, and some of the main characterization techniques are described in detail.

הייצור של מפעיל פחמן מבוססי Electromechanically Active מפעילים רכים

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...

Fabrication and Implementation of a Reference-Free Traction Force Microscopy Platform

Quantifying cell-induced material deformation provides useful information concerning how cells sense and respond to the physical properties of their microenvironment. While many approaches exist for measuring cell-induced material strain, here we provide a methodology for monitoring strain with sub-micron resolution in a reference-free manner. Using a two-photon activated photolithographic patterning process, we demonstrate how to generate mechanically and bio-actively tunable synthetic substrates containing embedded arrays of fluorescent fiducial markers to easily measure three-dimensional (3D) material deformation profiles in response to surface tractions. Using these substrates, cell tension profiles can be mapped using a single 3D image stack of a cell of interest. Our goal with this methodology is to make traction force microscopy a more accessible and easier to implement tool for researchers studying cellular mechanotransduction processes, especially newcomers to the field.

This protocol provides instructions for implementing multiphoton lithography to fabricate three-dimensional arrays of fluorescent fiducial markers embedded in poly(ethylene glycol)-based hydrogels for use as reference-free, traction force microscopy platforms. Using these instructions, measurement of 3D material strain and calculation of cellular tractions is simplified to promote high-throughput traction force measurements.

ייצור ויישום של פלטפורמת מיקרוסקופית כוח המתיחה ללא התייחסות

Quantifying cell-induced material deformation provides useful information concerning how cells sense and respond to the physical properties of their ...

Using a Microfluidics Device for Mechanical Stimulation and High Resolution Imaging of C. elegans

One central goal of mechanobiology is to understand the reciprocal effect of mechanical stress on proteins and cells. Despite its importance, the influence of mechanical stress on cellular function is still poorly understood. In part, this knowledge gap exists because few tools enable simultaneous deformation of tissue and cells, imaging of cellular activity in live animals, and efficient restriction of motility in otherwise highly mobile model organisms, such as the nematode Caenorhabditis elegans. The small size of C. elegans makes them an excellent match to microfluidics-based research devices, and solutions for immobilization have been presented using microfluidic devices. Although these devices allow for high-resolution imaging, the animal is fully encased in polydimethylsiloxane (PDMS) and glass, limiting physical access for delivery of mechanical force or electrophysiological recordings. Recently, we created a device that integrates pneumatic actuators with a trapping design that is compatible with high-resolution fluorescence microscopy. The actuation channel is separated from the worm-trapping channel by a thin PDMS diaphragm. This diaphragm is deflected into the side of a worm by applying pressure from an external source. The device can target individual mechanosensitive neurons. The activation of these neurons is imaged at high-resolution with genetically-encoded calcium indicators. This article presents the general method using C. elegans strains expressing calcium-sensitive activity indicator (GCaMP6s) in their touch receptor neurons (TRNs). The method, however, is not limited to TRNs nor to calcium sensors as a probe, but can be expanded to other mechanically-sensitive cells or sensors.

Using a Microfluidics Device for Mechanical Stimulation and High Resolution Imaging of C. elegans

New tools for mechanobiology research are needed to understand how mechanical stress activates biochemical pathways and elicits biological responses. Here, we showcase a new method for selective mechanical stimulation of immobilized animals with a microfluidic trap allowing high-resolution imaging of cellular responses.

שימוש בהתקן מיקרופלואידיקה גירוי מכני, רזולוציה גבוהה הדמיה של C. elegans

One central goal of mechanobiology is to understand the reciprocal effect of mechanical stress on proteins and cells. Despite its importance, the ...

Neuroscience

Microfabrication of Implantable Optics Integrated in a Microstructured Imaging Window for Advanced In Vivo Imaging

In the context of biomaterials and drug testing in animal models, this study presents a streamlined protocol for fabricating a novel implantable integrated imaging window. The micro-device comprises a sophisticated system of microlenses coupled with micro-scaffolds specifically designed for in vivo quantification of the immune response using advanced non-linear excitation microscopy. The protocol is based on two-photon polymerization (2PP) of the biocompatible photoresist SZ2080, which enables the fabrication of micro-scaffolds and micro-lenses in a continuous sequence to enhance manufacturing efficiency and precision. To further improve speed, accuracy, and structural integrity, a hybrid optics fabrication approach was implemented, involving the 2PP of the microlens outer shell followed by UV bulk crosslinking of the inner core. This innovative technique optimizes the optical properties of the microlenses while streamlining the production process. The resulting micro-device demonstrates high reproducibility and mechanical stability, making it an effective method for prototyping microscale optical systems for a range of biomedical applications.

This protocol describes the fabrication of an implantable integrated imaging window using 3D laser printing. The window consists of a system of microlenses coupled with micro-scaffolds. The method involves two-photon polymerization (2PP) of the biocompatible photoresist SZ2080 in a continuous sequence, optimizing manufacturing efficiency and alignment between the different components.