软薄膜致动器的设计、制备与演示

摘要

柔性执行器可用于制造柔性机器人和可穿戴设备。由于其柔顺性，即使发生形变仍能保持功能。本文介绍一种制备柔性薄膜执行器的方案，并展示其在爬行机器人、柔性机器人夹持器以及触觉反馈界面中的应用。

摘要

柔性执行器在软体机器人和人机界面应用中展现出良好的性能前景。尤其是当直接与人体皮肤接触时，柔软的薄膜执行器能够实现与人体组织相匹配的力学耦合。提升柔性执行器性能与鲁棒性的研究，对于柔性设备的发展至关重要。对高鲁棒性、柔性设备的需求，给执行器的性能和制造方法带来了挑战。本文介绍了柔性薄膜执行器的设计与制备技术。这些柔性执行器具有良好的鲁棒性，并在多种应用场景中展现出潜力。本实验方案展示了薄膜执行器在三个不同应用中的潜力。首先，制备了一种由柔性薄膜执行器驱动的爬行机器人。该机器人具有极高的鲁棒性，能够承受持续敲击，即使有三根金属针穿透其身体仍可保持功能。其次，制备了一种柔性机器人抓手，可实现精细操作，例如在不损坏纸张的情况下抓取一张纸。第三，制备了一种集成薄膜执行器的触觉反馈装置，可在与人体皮肤交互时提供触碰反馈。本实验方案展示了高效制备高鲁棒性柔性薄膜执行器的工艺流程，为驱动高性能软体机器人提供了广泛的应用潜力。

引言

与刚性电机相比，柔性驱动器表现出更优的顺应性和适应性¹。它们被广泛应用于软体机器人和传感器的制造中。目前的软体驱动器类型包括气动驱动器²、化学燃料驱动器³、液压驱动器⁴、形状记忆合金（SMA）驱动器⁵、介电弹性体驱动器⁶以及电活性聚合物驱动器⁷。本研究旨在设计一种制造工艺简单且性能稳定的柔性驱动器。上述特性将在下文中详细描述。

所开发的柔性薄膜致动器（STFA）工作 通过 电吸附（EA）原理⁸STFA 的结构与工作原理如图所示 图1其结构由一个活性层和一个基底层组成，两者之间由空气间隙隔开。当施加电压时，活性层中的电极产生电场，进而在基底层中感应出相反电荷。这些电荷之间的静电吸引力使活性层向基底弯曲。通过调节电压信号的频率和幅度，可控制STFA的驱动行为。

短链热响应纤维执行器（STFAs）能够实现快速驱动，并在机械干扰下保持功能。例如，使用STFAs的爬行机器人在持续锤击下仍能保持正常工作⁹，甚至在被三根金属针穿透后仍可运行（见补充视频1和补充视频2）。作为夹持器，柔性执行器在适应性方面优于刚性执行器¹⁰。其柔顺的表面能够紧密贴合物体的几何形状，从而在抓取过程中最大限度地降低对易碎物品造成损伤的风险。

短纤维致动器（STFAs）的操作稳定性符合可穿戴应用的要求。它们通过空间靶向的触觉驱动，直接将电信号转化为机械刺激。由短纤维致动器构建的触觉反馈界面，可通过向指尖传递多强度信号实现有效的信息传输⁹。

本研究的主要贡献是提出一种具有简单制备工艺的高效致动器。该STFA柔韧、坚固，并且在功耗方面能够保持良好的性能。STFA的多功能潜力通过三个应用得到验证：爬行机器人、柔性机器人夹持器和触觉反馈界面。爬行机器人展示了STFA的运动驱动能力，触觉反馈界面则突显了其在人机交互中的应用价值。这些应用共同证实了STFA在柔性机器人和可穿戴技术领域的潜力。

方案

本方案描述了STFA及基于STFA的爬行机器人、软体机器人抓手和触觉反馈界面的制备步骤。图2、图3、图4和图5展示了器件制备的逐步流程。本研究中使用的试剂和设备列于材料表中。

1. 柔性薄膜致动器的制备

1. 设计叉指电极图案（图2A）。
2. 设置激光雕刻参数（切割：功率 = 20，速度 = 10，PPI/Hz = 1000）。
3. 裁剪一片带铝涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）箔膜（厚度为100 µm），尺寸为30 cm × 20 cm。
4. 将PET箔膜铝面朝上放置于激光切割工作区。
5. 对PET箔膜进行激光图案化处理（雕刻：功率 = 55，速度 = 100，PPI/Hz = 1000；切割：功率 = 20，速度 = 10，PPI/Hz = 1000，图2B 和 图2C）。
6. 连接电极引线：将两根导线置于图案化PET箔膜的焊盘上，并使用导电胶固定连接。
7. 封装器件：用胶带完全覆盖PET箔膜与引线的连接处（图2D）。
   注：STFA器件的完整样品如 图2E 所示。

2. 爬行机器人的制备

1. 使用 CAD 软件绘制爬行机器人前腿和后腿的俯视图图案（图 3A）。
2. 使用激光切割机从厚度为 100 µm 的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上切割出腿的图案（切割参数：功率 = 20，速度 = 10，PPI/Hz = 1000，图 3B）。
3. 准备两条厚度为 0.1 mm 的双面胶带（每条尺寸为 11 mm × 3 mm）。将它们分别粘贴到 STFA 的前端和后端（图 3C）。
4. 用镊子将肢体末端弯曲至约 45°，并确保各末端形成一致的角度（图 3D）。
5. 制备一个整体尺寸为 35 mm × 11 mm 的 STFA，其电极宽度为 1 mm，电极间距为 0.5 mm。
6. 通过将前腿和后腿粘附到 STFA 上，组装爬行机器人（图 3E）。

3. 柔性机器人抓手的制备

1. 以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基底制备STFA：
   1. 将20 g PDMS Sylgard组分A和0.4 g组分B加入混合罐中，使用真空搅拌机混合硅胶（第一阶段：压力 = 100 kPa，运行时间 = 30 s；第二阶段：压力 = 1 kPa，运行时间 = 30 s）。
   2. 使用微自动涂布机（运行速度 = 2，刮刀高度 = 0.7 mm）将混合后的硅胶涂覆在A4尺寸的PET基底上（图4A）。
   3. 切割具有叉指电极图案的掩膜（切割参数：功率 = 20，速度 = 10，PPI/Hz = 1000，图4B）。
   4. 将掩膜放置在涂有硅胶的PET上，使用喷枪（喷嘴距离10 cm，压力15 psi，角度45–60度，喷量5 mL）喷涂碳粉以形成电极（图4C）。
   5. 移除掩膜，并确认移除后相邻电极之间无碳粉涂抹痕迹（图4D）。
   6. 裁切出STFA，并将P(VDF-TrFE-CTFE)粉末溶于二甲基甲酰胺中（4.76 wt%）¹¹。使用喷枪（喷嘴距离10 cm，压力15 psi，角度45–60度，喷量10 mL）将混合溶液喷涂在电极上（图4E）。
   7. 将导线连接至STFA（图4F）。
   8. 移除A4尺寸的PET基底。
2. 将STFA集成到机械臂中。
3. 布设电气连接线路。

4. 触觉反馈界面的制备

1. 制备一个整体尺寸为35 mm × 11 mm的STFA，电极宽度为1 mm，电极间距为0.5 mm。
2. 设计STFA的覆盖层和基底层图案图 5A).
3. 设计基板层的外部轮廓图案（图 5B).
4. 按照步骤1对盖层和基底层进行激光切割（切割参数：功率 = 20，速度 = 10，PPI/Hz = 1000） 图5C).
5. 激光切割一块0.8 mm厚的粘性胶带，使其轮廓与步骤4.3中的图案一致，并将其粘合到基底层上（切割参数：功率 = 20，速度 = 10，PPI/Hz = 1000） 图5D).
6. 将STFA粘贴到基底层上（图5E).
7. 将覆盖层粘贴到基底层上（图5F).
8. 将STFA与连接器集成以组装触觉反馈界面图 5G).
   注意：触觉反馈界面的结构及完成后的示例如图所示 图 5H，I.

结果

为演示所提出的方法，本方案概述了原型器件的制备过程及功能验证的实施步骤。首先，详细介绍了STFA的制造工艺。图2A展示了设计的电极图案，其由叉指电极组成，电极末端为用于引线连接的焊盘。图2E展示了完成的STFA。在运行过程中，在相邻的叉指电极之间施加电压会产生电场，进而在接触表面诱导出相反的电荷。这些电荷之间的静电吸引力使得激活的STFA与目标表面之间产生电吸附作用。

基于上述内容，开发了一种由STFA驱动的爬行机器人。该机器人的定向运动由一对在末端具有45°弯曲的肢体实现，这些肢体通过激光切割PET模板并进行机械弯曲制成。这种角度结构在肢体与基底之间引入了方向性摩擦不对称性，从而实现可控的单向运动。在运行过程中，地面作为基底层：当施加电压时，STFA由于电粘附效应向基底弯曲，推动前腿向前；当撤去电压时，STFA的弹性恢复使后腿回缩。...

讨论

采用该方法，成功制备了STFA，并进一步展示了其在三个不同应用中的潜力。STFA的制备包含三个关键步骤：（1）合理的二维设计：电极图案的几何形状决定了驱动器的尺寸，而叉指电极的数量及其尺寸则对驱动性能起着决定性作用；（2）可靠的电学连接：通过导电胶实现铝电极层与外部引线的牢固连接；（3）稳固的封装：使用胶带或其他介电材料完全覆盖电极表面，可确保在动态运行过程中的机械稳定性。若发生介电击穿故障，可能由过高的驱动电压或电极间意外短路所致¹²。解决该问题的方法包括将驱动电压限制在2.5 kV以下，以及在施加驱动电压前确保电极之间不存在意外的电气连接。

在制造设备时，还需强调技术细节。制造爬行机器人的关键步骤包括：（1）肢体的适当二维CAD设计；（2）肢体末端的正确弯曲；（3）肢体与STFA的正确连接。制造柔性机器人夹持器的关键步骤包括：（1）喷涂碳粉时，掩模与基底应尽可能紧密贴合，以避免电极短路；（2）喷涂P(VDF-TrFE-CTFE)溶液时，应尽可能均匀；（3）机械臂与STFA的正确连接。制造触觉反馈设备的关键步骤包括：（1）连接器的适...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
0.1 mm 双面胶带	3M
0.8 mm 双面胶带	3M	VHB
3D 打印机	Bambu	X1-Carbon
喷枪	Clench	LP-131	喷嘴距离为 10 cm，压力为 15 psi，角度为 45 至 60 度
AutoCAD	Autodesk
导电胶	Jinshida	K-818
二甲基甲酰胺	Macklin	CAS 68-12-2
激光切割机	Trotec	Q400	雕刻：功率 = 55，速度 = 100，每英寸脉冲数 (PPI)/Hz = 1000 切割：功率 = 20，速度 = 10，PPI/Hz = 1000
微型自动涂布机	BEVS	1818H	运行速度 = 2，刮刀高度 = 0.7 mm
P(VDF-TrFE-CTFE)	Piezotech-Arkema
带铝层的聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 薄膜	Pinhao Technology
机械臂	Yeahbot	Am1
硅橡胶基体	Sylgard	184
单面胶带	Deli