Preview

PDF, English Download (101MB) | Terms of use

Abstract

Soft material robotics relies on the development of responsive, soft materials and requires high standards, with respect to the material properties: High responsivity, robust mechanical properties, high cycle times, and fast responses are some examples for these requirements, which are rarely found in such responsive, soft materials, and thus need to be adjusted by material engineering. This thesis addresses tailoring the properties of thermoresponsive hydrogels and implementing these materials into soft robotic applications. Furthermore, a thorough investigation of material responsivity and mechanical properties is conducted, which are crucial parameters for the development of soft actuators. First, a template-assisted fabrication method based on sacrificial zinc oxide templates is introduced, which yields microporous and highly thermoresponsive hydrogels. Compared to its conventional bulk counterpart, this material exhibits a large volume transition and generates considerable stroke forces upon stimulation, which are crucial requirements for actuator applications. These changes in thermoresponsive actuation properties result from the increased surface area created by the microporosity of the hydrogel. Actuation capabilities are demonstrated on the basis of a soft, thermally controlled gripper. Based on the previous findings, two-photon 3D laser printing is used to fabricate responsive hydrogel microactuators with precise control of actuator surfaceto- volume ratio and to investigate actuation capabilities as a function of actuator design and fabrication parameters. It turns out that miniaturization of the actuators and especially the surface-to-volume-ratio have a major impact on responsivity. In addition, variation of the processing parameters during fabrication is found to be a facile strategy for tailoring actuator properties, such as stiffness and responsivity. Moreover, the assembly of individual actuators into microactuator systems, enables cooperative functions, such as capturing and releasing cargo in a microfluidic chip upon thermal stimulation. The micro engineering strategies presented in this work, provide a toolkit for understanding the science of thermo-actuation and tailoring actuation properties of responsive hydrogels. Furthermore, methods for developing soft robotic applications at the microscale using such hydrogels are demonstrated.

Translation of abstract (German)

Das Forschungsgebiet der Material-basierten, weichen Robotik baut auf die Entwicklung responsiver, weicher Materialien auf und stellt hohe Anforderungen an deren Materialeigenschaften: Eine ausgepr¨agte Reaktionsf¨ahigkeit, robuste mechanische Eigenschaften, hohe Zyklenzahlen und schnelle Reaktionen sind einige Beispiele f¨ur diese Anforderungen, die bei herk¨ommlichen responsiven, weichen Materialien nur selten vorhanden sind und daher durch die Werkstofftechnik angepasst werden m¨ussen. Diese Arbeit befasst sich mit der Anpassung der Eigenschaften von thermoresponsiven Hydrogelen und der Implementierung dieser Materialien in Anwendungen innerhalb der weichen Robotik. Dar¨uber hinaus wird eine gr¨undliche Untersuchung der Responsivit¨at und der mechanischen Eigenschaften durchgef¨uhrt, welche entscheidende Parameter f¨ur die Entwicklung weicher Aktoren sind. Zun¨achst wird ein Herstellungsverfahren vorgestellt, welches auf der Grundlage von Opfertemplaten aus Zinkoxid beruht und mikropor¨ose, hoch thermoresponsive Hydrogele hervorbringt. Im Vergleich zum konventionellen, nicht-por¨osen Gegenst ¨uck weist dieses neue Material eine große Volumen¨anderung und betr¨achtliche Hubkr¨afte unter Anregung auf, was entscheidende Voraussetzungen f¨ur Aktorik- Anwendungen sind. Diese Ver¨anderungen der thermoresponsiven Eigenschaften ergeben sich aus der vergr¨oßerten Oberfl¨ache, die durch die Mikroporosit¨at des Hydrogels resultiert. Am Beispiel eines weichen, thermisch gesteuerten Greifers wird schließlich die anwendungsorientierte Leistungsf¨ahigkeit demonstriert. Aufbauend auf diese Ergebnisse, wird Zwei-Photonen-3D-Laserdruck verwendet, um responsive Hydrogel-Mikroaktoren herzustellen, und deren Leistungsf¨ahigkeit in Abh¨angigkeit vom Aktordesign und den Herstellungsparametern zu untersuchen. Es zeigt sich, dass die Miniaturisierung der Aktoren und insbesondere deren Oberfl ¨achen-Volumen-Verh¨altnis großen Einfluss auf die Responsivit¨at haben. Weiterhin stellt sich heraus, dass die Variation der Herstellungsparameter eine einfache Strategie zur Anpassung der Aktoreigenschaften, wie Steifigkeit und Ansprechverhalten, darstellt. Dar¨uber hinaus sorgt das Zusammenf¨ugen einzelner Aktoren zu Mikroaktorsystemen f¨ur kooperative Funktionen, wie z.B. das Einfangen und Freisetzen von mikroskopischer Fracht unter thermischer Anregung in einem mikrofluidischen Chip. Die in dieser Arbeit vorgestellten mikrotechnischen Methoden bieten eine Grundlage f¨ur das wissenschaftliche Verst¨andnis von thermischer Aktorik und die Anpassung der Aktorik-Eigenschaften von responsiven Hydrogelen. Weiterhin werden Strategien f¨ur weich-robotische Anwendungen dieser Hydrogele auf der Mikroskala demonstriert.