يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

تصميم وتصنيع وعرض مشغلات الأغشية الرقيقة الناعمة

524 مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/68951

⸱

أغسطس 29, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Microelectronics Science and Technology, Sun Yat-sen University

في هذه المقالة

ملخص

يمكن استخدام المحركات اللينة في تصنيع الروبوتات اللينة والأجهزة القابلة للارتداء. يمكنهم امتثالهم من الحفاظ على الوظائف حتى عند التشوه. هنا ، يتم تقديم بروتوكول لتصنيع مشغلات الأغشية الرقيقة الناعمة وإثبات تطبيقها في الروبوتات الزاحفة ، والمقابض الروبوتية الناعمة ، وواجهات التغذية الراجعة اللمسية.

الملخص

تقدم المحركات اللينة خصائص واعدة فيما يتعلق بالتطبيقات في الروبوتات اللينة والواجهات بين الإنسان والآلة. خاصة عند التفاعل المباشر مع جلد الإنسان ، يمكن للمشغلات الرقيقة الناعمة أن تتطابق مع الاقتران الميكانيكي مع الأنسجة البشرية. يعد استكشاف تحسين أداء ومتانة المحركات اللينة أمرا بالغ الأهمية لتطوير الأجهزة المرنة. يشكل الطلب على الأجهزة القوية والمرنة تحديات لأداء وطرق تصنيع المشغلات. توضح المقالة تقنيات تصميم وتصنيع مشغلات الأغشية الرقيقة الناعمة. هذه المحركات اللينة قوية ، وتظهر إمكانات في سيناريوهات متعددة الاستخدامات. يوضح هذا البروتوكول إمكانات مشغلات الأغشية الرقيقة في ثلاثة تطبيقات مختلفة. أولا ، تم تصنيع روبوت زاحف مدفوع بمشغلات رقيقة ناعمة. الروبوت قوي للغاية. يمكن أن تنجو من الطرق المستمرة وتظل تعمل حتى مع ثقب ثلاث إبر معدنية في جسمها. ثانيا ، تم تصنيع قابض آلي ناعم ، يمكنه إجراء معالجة دقيقة مثل الإمساك بقطعة من الورق دون إتلافها. ثالثا ، تم تصنيع جهاز التغذية المرتدة اللمسية مع مشغل غشاء رقيق ، والذي يمكن أن يوفر ردود فعل مؤثرة عند التفاعل مع جلد الإنسان. يوضح هذا البروتوكول عمليات تصنيع فعالة لمشغلات الأغشية الرقيقة الناعمة القوية ، مع إمكانات تطبيق متنوعة لقيادة الروبوتات اللينة القوية.

المقدمة

بالمقارنة مع المحركات الصلبة ، تظهر المحركات المرنة امتثالا فائقا وقدرة على التكيف1. تستخدم على نطاق واسع في تصنيع الروبوتات وأجهزة الاستشعار اللينة. تشمل الأنواع الحالية من المحركات اللينة المحركات الهوائية2 ، ومشغلات الوقود الكيميائي3 ، والمحركات الهيدروليكية4 ، ومشغلات سبائك الذاكرة الشكل (SMA)5 ، ومشغلات المطاط الصناعيالعازلة 6 ، ومشغلات البوليمرات الكهربائية7. الغرض من هذا البحث هو تصميم مشغل مرن بعملية تصنيع بسيطة وأداء قوي. سيتم وصف الخصائص المذكورة أعلاه في النص التالي.

يعمل مشغل الأغشية الرقيقة الناعمة المطور (STFA) عبر مبدأ الالتصاق الكهربائي (EA)8. يظهر هيكل ومبدأ تشغيل STFAs في الشكل 1. يتكون هيكلها من طبقة نشطة وطبقة ركيزة مفصولة بفجوة هوائية. عندما يتم تطبيق الجهد ، تولد الأقطاب الكهربائية في الطبقة النشطة مجالات كهربائية ، مما يؤدي إلى شحنات معاكسة في طبقة الركيزة. يتسبب الجذب الكهروستاتيكي بين هذه الشحنات في انحناء الطبقة النشطة نحو الركيزة. يمكن التحكم في تشغيل STFA عن طريق تعديل تردد وسعة إشارة الجهد.

يمكن أن تحقق STFAs تشغيلا سريعا وتحافظ على الوظائف في ظل الاضطرابات الميكانيكية. على سبيل المثال ، حافظ الروبوت الزاحف الذي يستخدم STFAs على وظائفه تحت ضربات المطرقةالمستمرة 9 ، وحتى يتم ثقبه بثلاث إبر معدنية (كما هو موضح في الفيديو التكميلي 1 والفيديو التكميلي 2). كقابضين ، تتفوق المحركات المرنة على نظيراتها الصلبة في القدرة على التكيف10. تتوافق أسطحها المتوافقة بشكل وثيق مع هندسة الكائنات ، مما يقلل من مخاطر الضرر الذي يلحق بالعناصر الهشة أثناء الإمساك.

يناسب الاستقرار التشغيلي ل STFAs متطلبات التطبيقات القابلة للارتداء. يقومون بتحويل الإشارات الكهربائية مباشرة إلى محفزات ميكانيكية من خلال التشغيل اللمسي المستهدف مكانيا. توضح واجهة التغذية الراجعة اللمسية التي تم إنشاؤها باستخدام STFAs النقل الفعال للمعلومات من خلال توصيل إشارات متعددة الكثافة إلى أطرافالأصابع 9.

تتمثل المساهمة الرئيسية لهذه الدراسة في اقتراح مشغل فعال بعملية تصنيع بسيطة. تتميز STFA بالمرونة والقوة ويمكنها الحفاظ على أداء جيد من حيث استهلاك الطاقة. يتم التحقق من صحة إمكانات STFAs متعددة الوظائف من خلال ثلاثة تطبيقات: الروبوتات الزاحفة ، والمقابض الروبوتية الناعمة ، وواجهات التغذية الراجعة اللمسية. تظهر الروبوتات الزاحفة قدرات القيادة الحركية ل STFAs. تسلط واجهات التغذية الراجعة اللمسية الضوء على أداة التفاعل بين الإنسان والآلة. تؤكد هذه التطبيقات مجتمعة إمكانات STFAs في الروبوتات اللينة والتقنيات القابلة للارتداء.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

يصف هذا البروتوكول مراحل تصنيع روبوتات الزحف المستندة إلى STFA و STFA ، والقابضين الروبوتيين الناعمين ، وواجهات التغذية الراجعة اللمسية. يوضح الشكل 2 والشكل 3 والشكل 4 والشكل 5 عملية تصنيع الجهاز خطوة بخطوة. الكواشف والمعدات المستخدمة في هذه الدراسة مدرجة في جدول المواد.

1. تصنيع مشغل غشاء رقيق ناعم

  1. تصميم نمط القطب الكهربائي متعدد الأرقام (الشكل 2 أ).
  2. تكوين معلمات النقش بالليزر (القطع: الطاقة = 20 ، السرعة = 10 ، PPI / هرتز = 1000).
  3. قطع قطعة من رقائق البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) بطلاء من الألومنيوم (سمك 100 ميكرومتر) ، بأبعاد 30 سم × 20 سم.
  4. ضع رقائق PET ، بحيث يكون جانب الألومنيوم لأعلى ، في مساحة عمل القاطع بالليزر.
  5. قم بإجراء الزخرفة بالليزر لرقائق PET (النقش: الطاقة = 55 ، السرعة = 100 ، PPI / Hz = 1000 ، القطع: الطاقة = 20 ، السرعة = 10 ، PPI / Hz = 1000 ، الشكل 2B والشكل 2C).
  6. إرفاق الأسلاك الكهربائية: ضع سلكين في الوسادات الطرفية لرقائق PET المزخرفة. توصيلات آمنة بمادة لاصقة موصلة.
  7. تغليف الجهاز: قم بتغطية واجهة الرصاص المصنوعة من رقائق PET بالكامل بشريط لاصق (الشكل 2 د).
    ملاحظة: يتم عرض العينة المكتملة من STFA في الشكل 2E.

2. تصنيع الروبوت الزاحف

  1. ارسم نمط العرض العلوي للساق الأمامية والخلفية للروبوت الزاحف باستخدام برنامج CAD (الشكل 3 أ).
  2. قم بقص أنماط الساق باستخدام قاطع الليزر من رقائق البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) بسمك 100 ميكرومتر (القطع: الطاقة = 20 ، السرعة = 10 ، PPI / هرتز = 1000 ، الشكل 3 ب).
  3. قم بإعداد شريطين لاصقين على الوجهين بسمك 0.1 مم (11 مم × 3 مم لكل منهما). قم بتثبيتها على الأطراف الأمامية والخلفية ل STFA (الشكل 3C).
  4. ثني أطراف الأطراف عند حوالي 45 درجة باستخدام الملقط وتأكد من أن الأطراف تشكل زاوية ثابتة (الشكل 3D).
  5. قم بتصنيع STFA بأبعاد إجمالية تبلغ 35 مم × 11 مم ، تتميز بأقطاب كهربائية بعرض 1 مم وتباعد بين الأقطاب الكهربائية 0.5 مم.
  6. قم بتجميع الروبوت الزاحف عن طريق لصق الأرجل الأمامية والخلفية ب STFA (الشكل 3E).

3. تصنيع القابض الآلي الناعم

  1. تصنيع STFA باستخدام Polydimethylsiloxane (PDMS) كركيزة:
    1. أضف 20 جم من PDMS Sylgard الجزء A و 0.4 جم الجزء B إلى وعاء الخلط واخلط السيليكون بخلاط فراغ (المرحلة 1: الضغط = 100 كيلو باسكال ، وقت التشغيل = 30 ثانية ؛ المرحلة 2: الضغط = 1 كيلو باسكال ، وقت التشغيل = 30 ثانية).
    2. استخدم آلة الطلاء الأوتوماتيكية الدقيقة (سرعة التشغيل = 2 ، ارتفاع الكاشطة = 0.7 مم) لتطبيق السيليكون المختلط على ركيزة PET بحجم A4 (الشكل 4 أ).
    3. قص القناع بنمط قطب كهربائي متداخل (القطع: الطاقة = 20 ، السرعة = 10 ، PPI / Hz = 1000 ، الشكل 4 ب).
    4. ضع القناع على PET المطلي بالسيليكون واستخدم البخاخة (بمسافة فوهة 10 سم ، وضغط 15 رطل لكل بوصة مربعة ، وزاوية 45-60 درجة ، وجرعة 5 مل) لرش مسحوق الكربون لتشكيل الأقطاب الكهربائية (الشكل 4C).
    5. قم بإزالة القناع وتحقق من عدم وجود مسحة مسحوق الكربون بين الأقطاب الكهربائية المجاورة بعد إزالة القناع (الشكل 4 د).
    6. اقطع STFA وقم بإذابة مسحوق P (VDF-TrFE-CTFE) في ثنائي ميثيل فورماميد (4.76 بالوزن ٪) 11. استخدم البخاخة (بمسافة فوهة 10 سم ، وضغط 15 رطل لكل بوصة مربعة ، وزاوية 45-60 درجة ، وجرعة 10 مل) لرش المحلول المختلط على القطب الكهربائي (الشكل 4E).
    7. قم بتوصيل الأسلاك الكهربائية ب STFA (الشكل 4F).
    8. قم بإزالة ركيزة PET بحجم A4
  2. دمج STFAs في الذراع الآلية.
  3. قم بتوجيه التوصيلات الكهربائية.

4. تصنيع واجهة التغذية الراجعة اللمسية

  1. قم بتصنيع STFA بأبعاد إجمالية تبلغ 35 مم × 11 مم ، تتميز بأقطاب كهربائية بعرض 1 مم وتباعد بين الأقطاب الكهربائية 0.5 مم.
  2. صمم طبقة الغطاء وأنماط طبقة الركيزة ل STFA (الشكل 5 أ).
  3. صمم نمط الكفاف الخارجي لطبقة الركيزة (الشكل 5 ب).
  4. القطع بالليزر لطبقات الغطاء والركيزة باتباع الخطوة 1 (القطع: الطاقة = 20 ، السرعة = 10 ، PPI / Hz = 1000 ، الشكل 5C).
  5. قم بقص شريط لاصق بسمك 0.8 مم بالليزر يطابق نمط الكفاف من الخطوة 4.3 وربطه بطبقة الركيزة (القطع: الطاقة = 20 ، السرعة = 10 ، PPI / هرتز = 1000 ، الشكل 5 د).
  6. الصق STFA على طبقة الركيزة (الشكل 5E).
  7. الصق طبقة الغطاء على طبقة الركيزة (الشكل 5F).
  8. قم بدمج STFA مع الموصلات لتجميع واجهة التغذية الراجعة اللمسية (الشكل 5G).
    ملاحظة: يظهر الهيكل والعينة المكتملة لواجهة التغذية الراجعة اللمسية في الشكل 5H ، I.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

لتوضيح الطريقة المقترحة ، يحدد البروتوكول تصنيع أجهزة النموذج الأولي وأداء التحقق الوظيفي. أولا ، يتم تفصيل عملية تصنيع STFA. يوضح الشكل 2 أ نمط القطب المصمم ، والذي يتألف من أقطاب كهربائية متداخلة الأصابع تنتهي في وسادات توصيل لتوصيل الرصاص. يوضح الشكل 2 هاء STFA المكتمل. أثناء التشغيل ، يؤدي تطبيق جهد عبر أقطاب كهربائية متجاورة بين الأصابع إلى إنشاء مجال كهربائي يحفز شحنات معاكسة على سطح الاتصال. يؤدي الجذب الكهروستاتيكي بين هذ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

باستخدام هذه المنهجية ، تم تحقيق تصنيع ناجح ل STFAs ، تلاه عرض لإمكانياتها في ثلاثة تطبيقات متميزة. يتضمن تصنيع STFA ثلاث خطوات حاسمة: (1) تصميم ثنائي الأبعاد المناسب: تحدد هندسة نمط القطب أبعاد المشغل ، بينما تحدد كمية وأبعاد الأقطاب الكهربائية المتداخلة بشكل حاسم أداء التشغيل. (2) الواجهة الكهربائية الموثوقة: يتم تحقيق التوصيل الصحيح لطبقة قطب الألومنيوم بالخيوط الخارجية باستخدام مادة لاصقة موصلة ؛ (3) تغليف قوي: يمكن أن تضمن التغطية الكاملة لسطح القطب الكهربائي بشريط لاصق أو مواد عازل...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ويعلن أصحاب البلاغ أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

تم تمويل هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 52175048).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
شريط على الوجهين 0.1 مم3 م
شريط على الوجهين 0.8 مم3 مVHB
طابعة ثلاثية الأبعادبامبوX1-الكربون
البخاخهحسمإل بي -131مسافة الفوهة 10 سم ، الضغط 15 رطل لكل بوصة مربعة ، الزاوية 45 إلى 60 درجة
أوتوكادأوتوديسك
لاصق موصلجينشيداك -818
ثنائي ميثيل فورماميدماكلينسجل المستخلصات الكيميائية 68-12-2
قاطع ليزرتروتيكس 400النقش: الطاقة = 55 ، السرعة = 100 ، نبضات في البوصة (PPI) / هرتز = 1000 < br / > القطع: الطاقة = 20 ، السرعة = 10 ، PPI / هرتز = 1000
آلة طلاء أوتوماتيكية صغيرةBEVS1818هسرعة التشغيل = 2 ، ارتفاع الكاشطة = 0.7 مم
ف (VDF-TrFE-CTFE)بيزوتك أركيما
رقائق البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) مع الألومنيومPinhao Technology 
الذراع الروبوتيةيهبوتأيا1
قاعدة مطاط صناعي من السيليكونسيلجارد184
شريط أحادي الجانبديلي

المراجع

  1. Majidi, C., et al. Soft robotics: A perspective -Current trends and prospects for the future. Soft Robot. 1 (1), 5-11 (2014).
  2. Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
  3. Aubin, C. A., et al. soft combustion actuators for insect-scale robots. Science. 381 (6663), 1212-1217 (2023).
  4. Katzschmann, R. K., Delpreto, J., MacCurdy, R., Rus, D. Exploration of underwater life with an acoustically controlled soft robotic fish. Sci Robot. 3 (16), eaar3449(2018).
  5. Mohd Jani, J., Leary, M., Subic, A., Gibson, M. A. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities. Mater Des. 56, 1078-1113 (2014).
  6. Pelrine, R., Kornbluh, R., Pei, Q., Joseph, J. High-speed electrically actuated elastomers with strain greater than 100%. Science. 287 (5454), 836-839 (2000).
  7. Bar-Cohen, Y. Electroactive polymer (EAP) actuators as artificial muscles: reality, potential, and challenges. SPIE Int Soc Opt Eng. 5385, 1-12 (2004).
  8. Johnsen, A., Rahbek, K. A physical phenomenon and its applications to telegraphy, telephony, etc. J Inst Electr Eng. 61 (320), 713-725 (1923).
  9. Pan, F., Chen, L., Liu, F., Ji, X. Electric field induced mechanical flapping motors enabling soft robotic and wearable applications. Sens Actuators A Phys. 376, 115662(2024).
  10. Shintake, J., et al. Versatile soft grippers with intrinsic electroadhesion based on multifunctional polymer actuators. Adv Mater. 28 (2), 231-238 (2016).
  11. Hinchet, R. J., Shea, H. Glove and sleeve format variable friction electrostatic clutches for kinesthetic haptics. Adv Intell Syst. 4 (12), 2200174(2022).
  12. Igreja, R., Dias, C. J. Analytical evaluation of the interdigital electrodes capacitance for a multi-layered structure. Sens Actuators A Phys. 112 (2-3), 291-301 (2004).
  13. Rivadeneyra, A., et al. A novel electrode structure compared with interdigitated electrodes as capacitive sensor. Sens Actuators B Chem. 204, 552-560 (2014).
  14. Mamishev, A. V., Sundara-Rajan, K., Yang, F., Du, Y., Zahn, M. Interdigital sensors and transducers. Proc IEEE. 92 (5), 808-845 (2004).
  15. Rahman, M. T., Rahimi, A., Gupta, S., Panat, R. Microscale additive manufacturing and modeling of interdigitated capacitive touch sensors. Sens Actuators A Phys. 248, 94-103 (2016).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

استكشف المزيد من المقالات

الروبوتات اللينةتصنيع المشغلات الميكانيكيةالأجهزة المرنةواجهات التفاعل بين الإنسان والآلةالقابض الروبوتيجهاز التغذية الراجعة اللمسيةالاقتران الميكانيكيالمشغلات الميكانيكية المتينةتصميم المشغلات ذات الرقائق الرقيقة

تم نشر هذه المقالة

الفيديو قريباً

تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.