碳基离子型机电活性软致动器的制备

本方案描述了用于生物医学和软体机器人应用的碳基电机械活性材料的制备方法。该方法的主要优势在于能够实现离子驱动器的可重复制备，且可进行大规模生产。观看本视频将使您充分理解如何制备和使用离子驱动器。

该方案分为五个步骤。首先，制备一种离子导电膜。然后在其上覆盖碳基电极，并将金制集流体连接到这些电极上。

将样品切割成所需形状后，材料即可使用。首先，选择使用三聚四氟乙烯（tri-PTFE）膜、浸泡过电解质的相同膜，或纺织品增强膜。每种选项均可制成有效的驱动器。

有关选择方法，请参见正文。材料需使用框架进行制备。取一张高孔隙率的 PTFE 膜，覆盖在框架上。

将薄膜在框架上拉紧并固定，注意不要损坏干燥的膜。待膜准备就绪后，直接进入电极制备步骤。

取一个大型培养皿，将一张高孔隙率的PTFE膜放入其中，加入过量的离子液体，确保整个膜表面均被覆盖。

当膜充分浸透后，使用移液管除去多余的液体。小心地将膜置于滤纸之间，以去除未被聚四氟乙烯（PTFE）膜片吸收的残余离子液体。重复此过程，直至膜片呈半透明但不再湿润为止。

将浸泡过的膜紧绷地固定在塑料框架上，确保避免任何皱褶和折叠。膜准备好后，直接进入电极制备步骤。

取一块带有细密惰性纤维的织物，将其固定在框架上，确保充分绷紧。使用剪刀修剪多余的织物。

小心去除任何松散的纤维。在通风橱中操作时，用一层薄膜溶液覆盖织物。具体配方见正文。

让第一层完全干燥。首先使用热风枪，随后结合专用装置一起使用热风枪以加快干燥过程。在完全湿润的膜上避免使用过高的旋转速率，否则可能导致活性材料损失。

详见正文。将膜置于背光下检查是否有针孔。持续涂覆涂层，直至获得无缺陷的膜。

添加后续膜层时需格外小心。应尽可能涂抹薄层，切勿对已湿润的表面重复涂抹两次。需在两侧均涂抹膜层。

这样，增强材料将保持在复合材料的中间位置。每涂覆一层后，需待其干燥后再添加下一层。当获得无缺陷的膜后，使用厚度计检测其厚度。

目前为54微米。在密封的烧瓶中，使用磁力搅拌器和控温加热板，在70摄氏度下搅拌过夜，将聚合物溶于溶剂中。具体配方见正文。

取另一个烧瓶，称取碳粉，加入离子液体、溶剂和磁力搅拌子。密封烧瓶并混合。待碳悬浮液均匀且聚合物完全溶解后，固定或移除磁珠，将聚合物溶液倒入碳悬浮液中。

使用 10 毫升溶剂冲洗烧瓶内壁上的聚合物残留物，并将其加入碳悬浮液中。使用超声探头均质化该悬浮液。此后，该悬浮液即可用于实验或储存。

用丙酮填充喷枪或气刷的储液罐。先在一张纸上测试喷雾流量。确保气刷清洁且无堵塞。

储存期间，悬浮液可能变为凝胶状。在密闭容器中于70摄氏度下混合，以获得液体状态。用该电极悬浮液填充喷笔的储液罐。

首先在一张纸上测试悬浮液的流动情况。取制备好的膜。开始喷涂前，先移动喷枪。

以直线动作持续移动喷枪。待一侧干燥后，再开始喷涂另一侧。持续喷涂直至达到所需厚度。

小心地从框架上取下材料。如果使用的是纺织品增强膜，则应沿纤维方向进行切割。使用金属尺和手术刀裁剪出一块四厘米乘三厘米的样品。

这种尺寸最适合小到中等规模的批次。然而，对于制备可工作的驱动器而言，该尺寸并非关键。取一根金属管或管道，并将切割好的部件固定在上面。

尽量使执行器材料与胶带重叠约一毫米。取一张附在转移纸上的细金箔，将其裁剪成 4 厘米 × 4 厘米的片状。将其中一片放置在纸巾上。

用一层薄胶喷洒复合材料。具体配方见正文。迅速将喷枪直立存放。

在胶水未干时，将管子在金箔上滚动。滚动时无需施加过大压力。取下转移材料后，再次在宣纸上滚动，以确保金箔已牢固附着。

将材料放置干燥。干燥后，小心移除胶带，使材料从管子上分离。用丙酮清洗管子。

将材料固定在管道上，镀金面朝向管道。然后重复步骤，在另一侧也安装上集流体。注意记录用胶带覆盖的两侧。

切割出矩形或更复杂的形状。用于表征的样品尺寸宜为 4 × 20 毫米。将样品的长度方向与弯曲方向对齐。

软体抓手必须先进行热成型。将驱动器放入玻璃小瓶模具中，以对抓手进行热成型定型。驱动器放入模具后，将两者一同放入烘箱或使用红外灯加热。

将夹持器置于两个金电极之间，金面朝向活性材料。施加电压脉冲以操控负载。打开夹持器。

闭合夹爪。用手提起载荷。测试抓握。

最后，释放有效载荷。使用开尔文夹进行表征，将驱动器置于夹具之间，并通过视频相机监测角度α。

对于三角波信号，功能正常的驱动器的电流响应呈电容性；而有缺陷样品的响应则接近遵循欧姆定律，呈电阻性。采用扫描电子显微镜描述驱动器结构。

使用液氮对样品进行冷冻断裂，以获得整齐的横截面。注意：切勿关闭液氮容器的盖子。压力积聚可能导致严重伤害。

首先，将驱动器在液氮中冷冻几分钟。然后使用两把预冷的镊子折断冷冻的样品。纺织增强型驱动器即使在冷冻状态下也可能无法折断。

将手术刀与驱动器一同冷冻，然后切割冷冻样品成两片。这是聚四氟乙烯（PTFE）驱动器的横截面，显示两个碳电极被一层PTFE膜隔开，构成驱动器。该方法的关键在于膜层中包含惰性增强材料，例如PTFE。

这显著简化了制造工艺，并能够大规模 reproducibly 制备活性材料。我们的方法为离子型致动器的工业化规模制造提供了一条有前景的途径。