La ricerca che ha portato a questi risultati ha beneficiato di un finanziamento da parte del Consiglio europeo della ricerca nell&#39;ambito del Settimo programma quadro dell&#39;Unione europea (7 ° PQ / 2007-2013) / ERC convenzione di sovvenzione n o [291.349] sulla robotica micro fotonici e da IIT progetto SEED Microswim. Riconosciamo inoltre supporto dall&#39;Ente Cassa di Risparmio di Firenze. Ringraziamo l&#39;intero Ottica del gruppo Sistemi complessi a LENS per il feedback e le discussioni.

Nota: Questo protocollo contiene tre fasi: IP-L reticolo di preparazione per l&#39;orientamento molecolare LC, DLW nella caratterizzazione LCE e la luce di azionamento. Lo schema del sistema di scrittura laser diretta è mostrato in Figura 1, mentre il sistema micro-manipolazione è mostrato in Figura 5. 1. IP-L Grata Preparazione del modello <ol><li> Estrarre un vetrino da microscopio copertura (3 cm di diametro), e pulirlo con i tessuti lenti acetone usando. </li><li> Mettere alcuni distanziali (microsfere di vetro) con l&#39;aiuto di una punta metallica a 3 punti diversi del vetrino circa 0,5 cm di distanza dal suo centro. </li><li> Inserire un altro vetrino da microscopio (1 cm di diametro) sulla parte superiore dei distanziali. Utilizzare una punta per premere delicatamente sulla parte superiore del vetrino superiore. </li><li> Mettere una goccia (circa 2 ml) di colla UV-maturazione su tre punti differenti, rispettivamente, al confine del vetro superiore. </li><li> Prima che la colla penetra troppo into gap, utilizzare la luce UV per solidificare la colla. La cella è ora formata. </li><li> Mettere una goccia (circa 10 ml) di resina IP-L sul bordo della cella con una pipetta. Attendere alcuni minuti fino a quando il liquido viene filtrato nel intera area della cella. </li><li> Utilizzare colla per fissare il cellulare sul supporto del campione e collocarlo nel sistema di scrittura laser diretta. </li><li> Scegliere un obiettivo 100X, e trovare l&#39;interfaccia in corrispondenza della superficie superiore interna, seguita dalla correzione dell&#39;inclinazione su questa superficie. </li><li> Scrivere le strutture di creazione IP-L modelli reticolo con una potenza laser e una velocità di scansione di 6 mW e 60 um / sec, rispettivamente. I modelli di grattugiatura siano effettuate dalla curva IP-L o linee rette. </li><li> Ripetere i punti 1.8 e 1.9 sulla superficie interna inferiore. </li><li> Estrarre la cella, ed immergere il campione in un bagno 2-propanolo senza aprire la cella, per 12 - 24 ore. </li><li> Estrarre la cuvetta dal solvente e asciugare sulla piastra calda (50 ° C) per 10 - 20 min. </li></ol> 2. LCE microstruttura Fabrication <ol><li> miscela di monomeri misura ~ 300 mg sulla bilancia. Vedere la composizione molecolare in Tabella 1. </li><li> Mettere il composto preparato all&#39;interno di una bottiglia di vetro, e metterlo su un set piastra calda a 70 - 80 ° C. </li><li> Attendere tutti i fusi polvere, aggiungere un agitatore magnetico, e mescolare la miscela per 1 ora (90 - 150 rpm). </li><li> Posizionare la cella sulla piastra calda a 60 ° C. </li><li> Mettere una goccia (circa 20 mL) del composto sul bordo del vetrino più piccolo e attendere che il liquido infiltra nella cella. </li><li> Trasferire la cella al microscopio ottico con un polarizzatore incrociate e un regolatore di temperatura. Tenere tutto al buio durante il trasferimento, e mettere un filtro arancione davanti alla lampada di illuminazione per filtrare il UV. </li><li> Aumentare la temperatura della cella di 60 ° C utilizzando un regolatore di temperatura sul microscopio, quindi diminuire la temperatura (2 - 10 ° C per min), Per misurare l&#39;intervallo di temperatura per la fase LC. Una miscela con composizione molecolare differente ha una temperatura differente fase di LC. Un buon fase nematica LC omogenea può essere riconosciuto osservando l&#39;inversione contrasto dell&#39;immagine durante la rotazione del campione ogni 45 ° rispetto all&#39;asse polarizzatore. </li><li> Fissare il cellulare sul supporto del campione, posizionarlo nel sistema DLW, e impostare la temperatura per raggiungere la fase di LC (misurata al punto 2.7). </li><li> Trovare l&#39;interfaccia in corrispondenza della superficie inferiore interna ed eseguire la correzione dell&#39;inclinazione con obiettivo 100X, o un obiettivo 10X senza trovare l&#39;interfaccia. </li><li> Valuta le strutture LCE mediante l&#39;uso di DLW con una potenza laser e una velocità di scansione di 4 mW e 60 micron / sec su vetrino inferiore utilizzando obiettivo 100X. Altrimenti, utilizzare con una potenza laser e una velocità di scansione di 14 mW e 60 micron / sec utilizzando obiettivo 10X (struttura LCE è fabbricata in tutto lo spessore del campione). </li><li> Estrarre la cella, e utilizzare una lama peraprire la cella di rimuovere il vetrino superiore. </li><li> Immergere le strutture in un bagno di toluene per 5 min. </li><li> Estrarre il campione, e asciugare all&#39;aria per 10 min. </li></ol> 3. Caratterizzazione di accensione luce di microstrutture LCE <ol><li> Porre il campione nel microscopio ottico (20X) e focalizzare un fascio laser (CW, 532 nm, 50 - 500 mW) da 10X obiettivo sulle strutture. </li><li> Osservare luce deformazione indotta dalla fotocamera CMOS microscopio ottico (frame rate 25.8 fps). </li><li> Utilizzare il controllo manuale del sistema micro-manipolazione (Figura 5) per mettere la punta di vetro in una posizione vicino alle microstrutture LCE. </li><li> Accendere il laser a bassa potenza (~ 20 mW), al fine di aumentare la temperatura della LCE (a causa di assorbimento della luce), e quindi ammorbidire la struttura. </li><li> Utilizzare una punta di vetro per raccogliere una microstruttura LCE, e tenerlo in aria. Occorre Questo processo per evitare l&#39;adesione dalla superficie del vetro. </li><li> bottevia e il laser per l&#39;alta potenza (&gt; 100 mW), e osservare la deformazione struttura LCE. </li><li> Registrare la deformazione indotta luce con la fotocamera microscopio. </li></ol>

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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.

IP-L tecnica orientamento micro-reticolo è stato integrato con DLW per orientare monomeri cristallini liquidi. I micro-strutture LCE successivamente laser scritto possono essere modellati con l&#39;allineamento progettato in micro scala. Questa tecnica ci permette di creare gli elementi composti LCE che possono supportare molteplici funzionalità. Con una straordinaria capacità di creare microstrutture 3D accurati e il controllo di attuazione, ci aspettiamo che questa tecnica da utilizzare per la creazione di robot microscopici elastomeri a base 14, e di aprire una pletora di nuove strategie per l&#39;ottenimento di dispositivi regolabili di luce 15. Ci sono due passaggi critici nella preparazione. Il primo è che i due vetri della cella devono essere accuratamente incollati (passo 1.4, 1.5). La colla polimerizzazione UV preserva la stabilità della geometria della cella durante lo sviluppo: il movimento di un vetro della cella rispetto all&#39;altro comporterà una peggiore allineamentoLCE. In secondo luogo, la velocità di scrittura laser durante la scrittura struttura LCE dovrebbe essere il più alto possibile, mentre viene scelto obiettivo 100X. A causa della forte rigonfiamento della LCE durante il processo di scrittura laser, la struttura rigonfiato si allontana dalle posizione prevista, compromettendo la qualità degli attuatori fabbricati. In alcuni casi, la luce indotta deformabilità si osserva a deteriorarsi nelle strutture. Questo potrebbe essere dovuto al candeggio tintura sotto alta intensità di illuminazione. Una volta che le molecole di colorante sono stati disattivati, la struttura LCE comporta come un mezzo trasparente, e l&#39;assorbimento / luce indotta deformazione luce viene soppressa. Un laser di potenza inferiore sarebbe più sicuro per l&#39;azionamento di microstrutture LCE. Ci sono anche alcuni svantaggi di questo metodo. In primo luogo, l&#39;intero processo richiede un tempo relativamente lungo. Per mantenere la configurazione della cella, il processo di sviluppo prima IP-L (fatta immergendo il SAMPle in un solvente) viene effettuata in 2-proponal senza aprire la cella. Il tempo di sviluppo dipende quindi dalla dimensione della cella e lo spessore del gap, e di solito richiede 12 - 24 ore. Sostituzione del IP-L reticolo con altri modelli scrivibili laser, come il laser indotta modello di ablazione laser indotta superficie chimicamente modificata, potrebbe comportare allineamento LC e in una riduzione dei tempi di fabbricazione. In secondo luogo, LCE è una materia soffice che soffre sempre adesione al substrato di vetro. Luce deformazione indotta è stata soppressa quando le microstrutture bastone sulla superficie. In terzo luogo, l&#39;altezza della struttura è limitata dallo spessore della cella e la distanza di lavoro obiettivo. Nel sistema di scrittura laser, l&#39;altezza massima è di circa 100 micron. tecniche di stampa 3D sviluppato di recente potrebbe essere un buon candidato per la creazione di luce azionato struttura LCE da mesoscopica a scala macroscopica. Tuttavia, mantenendo l&#39;orientazione molecolare durante la polimerizzazione potesseessere il problema principale di preoccupazione. Questa tecnica è unica perché permette di ottenere 3D attuatori a forma libera alla microscala veramente, che non è possibile con altre tecniche esistenti. microstrutture LCE possono essere modellati con diversi orientamenti molecolare e funzionalità. L&#39;attuazione di tale tecnica da ulteriori ingegneria chimica, permetterà di rendere gli attuatori sensibili ad altre fonti di stimolo e si aprirà a sviluppare microrobot efficienti e dispositivi fotonici morbide.

Microattuatori sono strutture microscopiche che possono trasmettere energia esterna per il funzionamento di un altro meccanismo o sistema. Grazie alle dimensioni compatte e capacità di controllo remoto, sono stati ampiamente utilizzati nei sistemi lab-on-chip 1, micro-sensing 2 e robotica micro 3. Gli attuatori ad oggi disponibili possono effettuare azioni solo semplici, come gonfiore / compressione in una matrice idrogel 4, contrazione / piegatura 5 in una direzione con il campo esterno. Sebbene le tecniche sviluppate recentemente hanno permesso di fabbricare strutture azionamento scala microscopica 6, è ancora una sfida per controllare queste attuazioni nella stessa scala di lunghezza. Questo articolo riporta un metodo per preparare 3D luce attivare microstrutture con proprietà di attuazione controllabili. La tecnica si basa sulla scrittura laser diretta (DLW), ed è dimostrato in elastomeri liquido cristallini (LCEs). LCEs sono soft polimeri pettinatura la proprietà di elastomero e di orientamento cristallino liquido. Questi materiali sono capaci di grandi deformazioni (20 - 400%) sotto vari tipi di stimoli esterni 7. Il vantaggio di utilizzare LCEs per microattuatori è la convenienza dell&#39;ingegneria ordine molecolare nelle strutture, che consente di controllo dell&#39;attuazione in scala microscopica 8. monomeri LC sono sintetizzati con porzione acrilato, consentendo un passo singolo foto-polimerizzazione. Questa struttura dà accesso a diversi tipi di tecniche litografiche per la fabbricazione di microstrutture 3D. Coloranti azoici come foto molecole reattive sono collegati alla rete di polimero processo di co-polimerizzazione. Tali molecole si combinano la loro capacità di risposta forte luce (trans di isomerizzazione cis) con la luce indotta riscaldamento del sistema offrendo deformazione luce controllata. DLW è una tecnica per ottenere strutture polimeriche in materi fotosensibileal mediante controllo spaziale di un fascio laser focalizzato 9. DLW consente la creazione di strutture a forma libera 3D in LCE senza perdere l&#39;allineamento molecolare 6. Ci sono diversi vantaggi di DLW nella fabbricazione di microattuatori LCE. In primo luogo, la risoluzione può raggiungere la scala inferiori al micron, e le strutture sono veramente 3D 6. In precedenza segnalati metodi di fabbricazione LCE micro, ad es., L&#39;esposizione in maschera 10 e replica stampaggio 11, a condizione che la risoluzione fino a circa 10 micron e solo hanno geometria 2D. In secondo luogo, DLW è un processo di fabbricazione senza contatto. Un solvente adatto può sviluppare strutture di alta qualità mantenendo la configurazione progettata. Tecnica di stampaggio replica raramente offre una risoluzione sub-micron 12 e la qualità strutturale è difficile da controllare. In terzo luogo, la scrittura laser fornisce opzioni versatili per l&#39;orientamento LC locale a scala microscopica 8,13. Tra i vari tipi di tecniche di orientamento LC, sfregamento è il MOSt modo efficiente per orientare le molecole LC ed è stato ampiamente utilizzato nella preparazione di LCE film sottile. Questo è stato generalmente raggiunto da sfregamento su strati di polimeri per generare microsolchi sulle superfici interne di una cella infiltrata da monomeri LC. A causa dell&#39;effetto di ancoraggio superficiale, tali microsolchi sono in grado di orientare la molecola LC lungo la direzione scanalatura. DLW consente la fabbricazione diretta di tali microscanalature sulla regione selezionata nella direzione pre-progettato con precisione molto maggiore. Tutte queste caratteristiche rendono DLW un perfetto, tecnica unica per la fabbricazione ed il controllo di azionamento in scala microscopica. Sulla base di DLW, microstrutture LCE possono essere modellati con diversi orientamenti molecolari. Con l&#39;allineamento composti all&#39;interno di un&#39;unica struttura LCE, attuazioni multifunzionali diventano possibili. Il metodo può essere utilizzato per la fabbricazione di microattuatori LCE con qualsiasi tipo di miscela di LC monomero. Per maggiori ingegneria chimica, è possibile effettuare laattuatori sensibili ad altre fonti di stimolo, per esempio., umidità o illuminazione a diverse lunghezze d&#39;onda.

<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

elastomeri liquido cristallini (LCEs) sono materiali intelligenti in grado di reversibili forma-cambiamento in risposta a stimoli esterni, e hanno attirato l&#39;attenzione dei ricercatori in molti campi. La maggior parte degli studi si sono concentrati sulle strutture LCE macroscopiche (film, fibre) e la loro miniaturizzazione è ancora nella sua infanzia. Recentemente messo a punto tecniche di litografia, ad es., L&#39;esposizione maschera e stampaggio replica, consentire solo per la creazione di strutture 2D su film sottili LCE. scrittura laser diretta (DLW) si apre l&#39;accesso alla fabbricazione veramente 3D in scala microscopica. Tuttavia, il controllo della topologia di azionamento e dinamiche nella stessa scala di lunghezza rimane una sfida. In questo lavoro riportiamo un metodo per controllare i cristalli liquidi (LC) allineamento molecolare nelle microstrutture LCE di arbitraria forma tridimensionale. Ciò è stato reso possibile da una combinazione di scrittura laser diretta per entrambe le strutture LCE nonché per motivi micrograting induconoallineamento LC locale. Diversi tipi di modelli grata stati usati per introdurre diversi allineamenti LC, che può essere successivamente modellati nelle strutture LCE. Questo protocollo permette di ottenere microstrutture LCE con allineamenti ingegnerizzati in grado di eseguire più di azionamento opto-meccanici, essendo così capace di molteplici funzionalità. Le applicazioni possono essere previsti nel campo della fotonica sintonizzabile, micro-robotica, tecnologia lab-on-chip e altri.

La Figura 1 mostra il set up ottico per la scrittura laser. Il sistema è costituito da un laser a fibra 780 nm genera 130 impulsi fsec al tasso di ripetizione di 100 MHz. Il raggio laser viene riflesso in un telescopio per regolare il profilo del fascio all&#39;apertura obiettivo microscopio ottico in cui è concentrata nel campione. Al microscopio, una fase piezo 3D è installato con una gamma di 300 × 300 × 300 micron 3 itinerante per la traduzione del campione con una velocità massima di 100 micron / sec con una risoluzione di 2 nm. luce polarizzata linearmente da una luce rossa illumina il campione dalla parte superiore, mentre l&#39;immagine viene raccolta sul fondo dello stesso obiettivo e riflessa da un divisore di fascio in una camera CCD. Prima della fotocamera, un&#39;altra polarizzatore è utilizzato per ottenere l&#39;illuminazione polarizzata croce per maggiore contrasto. La figura 2 mostra le elet scansionetron microscopio (SEM) immagini del laser scritti IP-L micrograting modelli (fase 1). La spaziatura scanalatura è nell&#39;intervallo di 400 - 1.200 nm, mentre l&#39;altezza delle scanalature (superiore a valle) è di circa 700 nm. modelli Grating con diversi orientamenti possono indurre diversi allineamenti LC, a seconda del comando desiderato dell&#39;elemento LCE. La Figura 3 mostra l&#39;orientamento LC monomero indotta dai IP-L modelli reticolo (punto 2.7). Innanzitutto, quattro tipi di micro-reticolo pattern con 100 × 100 micron 2 dimensioni ciascuno sono stati fabbricati su lati opposti di una cella di vetro (schematizzato in figura 3a). A causa della superficie di ancoraggio, i monomeri LC infiltrati sono state orientate lungo la direzione linee del reticolo, quindi espone 45 ° inversione contrasto nel microscopio ottico polarizzato (POM) immagine (Figura 3b). Figura 4 mostra le immagini SEM di un LCE nano punto / linea fabbricato su IP-L reti grigliato con orientamento diverso (fase 2.10). All&#39;interno della rete reticolo, le strutture LCE diventano più limitata, con molto maggiore resistenza allo sviluppo in toluene. Una larghezza minima della LCE scollegato è stato misurato essere ~ 300 nm, che è coerente con la risoluzione DLW senza il modello di reticolo. Un altro approccio interessante per applicazioni fotonica potrebbe essere la realizzazione della struttura periodica larga scala. Figura 4 (c, d) mostra 2D LCE strutture periodiche nell&#39;ambito di una rete di micro-reticolo. Gli allineamenti sono ben conservati all&#39;interno di queste nanostrutture, come mostrato nelle immagini POM inserite di figura 4 (c, d). Tuttavia, la luce indotta deformazione non poteva essere ottenuto in queste nanostrutture. Questo perché all&#39;interno del IP-L reticolo, gli elementi di nano-LCE sono stati molto limitati e l&#39;adesione impedisce qualsiasi deformazione visibile. </p&gt; Il sistema di manipolazione micro è basato su un microscopio fatto in casa riflessa ed è mostrato schematicamente in figura 5. Un obiettivo 10X è fissato su un tubo lente posta su una basetta ottico verticale piedi. Una fonte di luce 730 nm LED IR viene utilizzato per l&#39;illuminazione attraverso un divisore di fascio non polarizzato. L&#39;immagine riflessa viene raccolto per lo stesso obiettivo e proiettata sulla telecamera. A stato solido 532 nm laser continuo è accoppiata nell&#39;obiettivo da uno specchio dicroico passaggio lungo (trasmissione 50% e riflessione 567 nm) con un angolo di incidenza di 45 °. Un misuratore di potenza misura il fascio trasmesso dopo lo specchio dicroico per il rilevamento in tempo reale della potenza del laser. Un punto laser liberamente mirato di ~ 150 micron di diametro genera intensità massima illuminazione del ~ 10 W / mm 2. intensità laser è controllato da un filtro neutro variabile posta di fronte al laser. Sotto l&#39;obiettivo, un manuale di 3D TRfase anslation viene utilizzato per la traduzione del campione. Una fase di riscaldamento installato sulla fase di traduzione è utilizzato per un controllo preciso della temperatura del campione in un intervallo da -20 a 120 ° C con 0,5 ° C precisione. Due consigli di vetro montate su due fasi traduzione manuale sono stati collocati sui lati destro e sinistro, vicino alla posizione del campione. Struttura micro manipolazione può essere realizzato da spostare lentamente le punte con l&#39;aiuto delle fasi di traduzione. Per dimostrare l&#39;allineamento e la correlazione deformazione, noi fabbrichiamo quattro strutture cilindriche LCE con 60 micron di diametro e 20 micron di altezza. Questi cilindri sono scritti su quattro-L IP reticolo di regioni diverso Orientated (1 micron periodo). Sotto eccitazione luminosa, i coloranti all&#39;interno della LCE assorbono energia luminosa e le trasferisce in rete. Le strutture LCE sono riscaldati e poi sottoposti a transizione di fase (nematica a isotropa). Tale transizione di fase è anche aiutatodal trans per isomerizzazione cis del colorante nelle stesse stimoli luminosi. Così, il contratto di strutture lungo il regista originale allineamento LC ed espandere nella direzione perpendicolare 7. A seconda delle diverse allineamenti locali indotte dai IP-L grigliati, queste strutture si deformano in direzioni diverse, come mostrato nella Figura 6 (punto 3.1). Questa tecnica consente la creazione di attuatori composti, che contengono più di un tipo di allineamento in un&#39;unica struttura. Un LCE banda 400 × 40 × 20 micron 3 dimensioni con due sezioni di motivo di allineamento è stato fabbricato, come schematicamente illustrato in Figura 7 (a). Tali sezioni allineamento contengono ciascun orientamento ritorto a 90 ° in una direzione diversa. La superficie con contratti allineamento parallelo, mentre quella con allineamento perpendicolare espande sotto illuminazione luce. La struttura è stata picked dal sistema micromanipolazione, e tenuta in aria da una punta di vetro. Doppia flessione è stata osservata sotto illuminazione luce (passo 3,3). Un raggio laser modulato (utilizzando un chopper ottico) può indurre deformazioni cicliche. LCE può rispondere a seguito della frequenza di modulazione del laser (&gt; 1k Hz). Tuttavia, l&#39;ampiezza di deformazione diminuisce all&#39;aumentare della frequenza 14. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig1.jpg" /> Figura 1: ottico allestito per la scrittura del laser dirigere un fascio laser a 780 nm (130 impulsi FSEC, frequenza di ripetizione di 100 MHz) è accoppiato in un microscopio e focalizzata da un obiettivo microscopio ottico nel campione.. Una fase 3D piezo con la gamma di 300 × 300 × 300 micron 3 viaggio viene utilizzato per la traduzione del campione durante l&#39;esposizione al laser. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/53744/53744fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare un la</a><html> Versione rger di questa figura. <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig2.jpg" /> Figura 2:. SEM Immagini di IP-L micro-griglie a) unidirezionale struttura di linea parallela. b) radiale modello grata. Barra di scala:. 10 micron <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/53744/53744fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig3.jpg" /> Figura 3:. IP-L micro-reticolo Indurre LC Orientamento a) Schema dei modelli micro-reticolo progettati per l&#39;orientamento LC. b) l&#39;immagine POM dell&#39;orientamento LC indotta dai modelli micrograting. La barra della scala è di 50 micron. Il colore rosso è dovuto al filtro che impedisce la foto-polimerizzazione.ge.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig4.jpg" /> Figura 4:. SEM Immagini di Nanostrutture LCE incorporato all&#39;interno IP-L Inferriata Networks a) e b) Due modelli di micro-reticolo sono state realizzate da DLW lungo diverse direzioni, mentre nanodots LCE sono fabbricati all&#39;interno della rete grata. c) ed) nanostrutture periodica LCE incorporati all&#39;interno della stessa tipologia di IP-L grigliati. Inserti sono immagine POM delle strutture. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/53744/53744fig4large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig5.jpg" /> Figura 5:. Schematica del Setup Micromanipolazione un Solid State 532 nm laser CW è accoppiato in un<html> home-made sistema di microscopio. Un obiettivo 10X viene utilizzato per l&#39;imaging e la messa a fuoco del laser a 532 nm per l&#39;eccitazione. Due fasi di traduzione manuali dotati di manipolatori punta di vetro vengono utilizzati per il campione di micro-manipolazione. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/53744/53744fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig6.jpg" /> Figura 6: Luce di azionamento di LCE Micro-cilindri su quattro diversi IP-L Micrograting regioni con diversi orientamenti a) quattro LCE strutture cilindriche con 60 micron di diametro e 20 micron di altezza, scritti su quattro regioni micro-reticolo diversamente orientate.. b) cilindri LCE deformano più assi (a seconda reticolo indotta allineamenti), quando esposti ad una radiazione laser 532 nm (10 W -2 mm). barra della scala: 100 micron.les / ftp_upload / 53744 / 53744fig6large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/53744/53744fig7.jpg" /> Figura 7: Deformazione luce-driven di microstrutture LCE con allineamenti multipli molecolari a) Schema di due sezioni di opposti schieramenti contorte 90 ° in una sola striscia di LCE.. b) ec), le immagini ottiche di una lunga striscia di 400 micron LCE flessione in direzioni opposte sotto 532 nm illuminazione laser (3 W mm -2) 8. <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/53744/53744fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

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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.

Free-forma Attuatori Light - Fabbricazione e Controllo di attuazione in scala microscopica

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

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Universidad de Cartagena UDEC

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.

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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.

Piattaforme microfabbricazione per coltura cellulare meccanicamente dinamica

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

Ricerca

Bioingegneria

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Fabbricazione e la sperimentazione di microfluidici optomechanical Oscillatori

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Ingegneria

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.

Fabbricazione Processo di base di silicone elastomero dielettrici Attuatori

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

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using femtosecond laser-induced ablation. We show that thousands of periodic nano-craters are fabricated on an optical nanofiber by irradiating with just a single femtosecond laser pulse. For a typical sample, periodic nano-craters with a period of 350 nm and with diameter gradually varying from 50 - 250 nm over a length of 1 mm are fabricated on a nanofiber with diameter around 450 - 550 nm. A key aspect of such a nanofabrication is that the nanofiber itself acts as a cylindrical lens and focuses the femtosecond laser beam on its shadow surface. Moreover, the single-shot fabrication makes it immune to mechanical instabilities and other fabrication imperfections. Such periodic nano-craters on nanofiber, act as a 1-D PhC and enable strong and broadband reflection while maintaining the high transmission out of the stopband. We also present a method to control the profile of the nano-crater array to fabricate apodized and defect-induced PhC cavities on the nanofiber. The strong confinement of the field, both transverse and longitudinal, in the nanofiber-based PhC cavities and the efficient integration to the fiber networks, may open new possibilities for nanophotonic applications and quantum information science.

We present a protocol for fabricating 1-D photonic crystal cavities on subwavelength diameter silica fibers (optical nanofibers) using femtosecond laser-induced ablation.

Fabbricazione di 1-D Photonic cristallo cavità su una nanofibre Utilizzando ablazione laser a femtosecondi-indotta

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...

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.

Preparazione delle reti di cristalli liquidi per moto oscillatorio macroscopica indotta da luce

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.

Preparazione di microfluidica di liquido cristallino elastomero attuatori

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

Chimica

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.

Fabbricazione di morbida rete pneumatica attuatori con obliquo Chambers

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.

Produzione rapida di attuatori e robot pneumatici sottili e morbidi

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.

Fabbricazione di attuatori morbidi ionici ad attività in carbonio

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.

Fabbricazione e implementazione di una piattaforma di microscopia della forza di trazione senza riferimenti

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