Design, Herstellung und Demonstration von weichen Dünnschicht-Aktuatoren

Zusammenfassung

Weiche Aktuatoren können bei der Herstellung von Soft-Robotern und tragbaren Geräten eingesetzt werden. Ihre Nachgiebigkeit ermöglicht es ihnen, ihre Funktionalität auch bei Verformung zu erhalten. Hier wird ein Protokoll zur Herstellung von weichen Dünnschichtaktoren vorgestellt und ihre Anwendung in Kriechrobotern, weichen Robotergreifern und haptischen Feedback-Schnittstellen demonstriert.

Zusammenfassung

Weiche Aktuatoren weisen vielversprechende Eigenschaften für Anwendungen in der Softrobotik und an der Mensch-Maschine-Schnittstelle auf. Insbesondere bei direkter Schnittstelle mit der menschlichen Haut können weiche, dünne Aktuatoren die mechanische Kopplung mit menschlichem Gewebe ausgleichen. Die Erforschung der Verbesserung der Leistung und Robustheit von weichen Aktuatoren ist entscheidend für die Entwicklung flexibler Bauelemente. Die Nachfrage nach robusten, flexiblen Geräten stellt Herausforderungen an die Leistungsfähigkeit und die Fertigungsmethoden der Aktuatoren. Der Artikel veranschaulicht Techniken für das Design und die Herstellung von weichen Dünnschichtaktuatoren. Diese weichen Aktuatoren sind robust und zeigen ihr Potenzial in vielseitigen Szenarien. Dieses Protokoll zeigt das Potenzial der Dünnschichtaktoren in drei verschiedenen Anwendungen. Zunächst wurde ein kriechender Roboter hergestellt, der von weichen Dünnschichtaktuatoren angetrieben wird. Der Roboter ist äußerst robust. Er kann ständiges Hämmern überstehen und bleibt auch dann funktionsfähig, wenn drei Metallnadeln durch seinen Körper stechen. Zweitens wurde ein weicher Robotergreifer hergestellt, der feine Manipulationen wie das Greifen eines Papiers durchführen kann, ohne es zu beschädigen. Drittens wurde ein haptisches Feedback-Gerät mit einem Dünnschicht-Aktuator hergestellt, das bei der Interaktion mit der menschlichen Haut ein Berührungsfeedback geben kann. Dieses Protokoll demonstriert effiziente Herstellungsprozesse für robuste weiche Dünnschichtaktuatoren mit unterschiedlichem Anwendungspotenzial für den Antrieb robuster weicher Robotik.

Einleitung

Im Vergleich zu starren Motoren weisen flexible Aktuatoren eine überlegene Nachgiebigkeit und Anpassungsfähigkeit^{auf 1}. Sie werden häufig bei der Herstellung von Softrobotern und Sensoren eingesetzt. Zu den aktuellen Typen von weichen Aktuatoren gehören pneumatische Aktuatoren², Aktuatoren^für chemische Kraftstoffe 3, hydraulische Aktuatoren⁴, Aktuatoren aus Formgedächtnislegierung (SMA)⁵, Aktuatoren aus dielektrischem Elastomer⁶ und Aktuatoren für elektroaktive Polymere⁷. Ziel dieser Forschung ist es, einen flexiblen Aktuator mit einem einfachen Herstellungsprozess und einer robusten Leistung zu entwickeln. Die oben genannten Merkmale werden im Folgenden beschrieben.

Der entwickelte weiche Dünnschichtaktor (STFA) arbeitet über das Prinzip der Elektroadhäsion (EA)⁸. Der Aufbau und das Funktionsprinzip von STFAs sind in Abbildung 1 dargestellt. Seine Struktur besteht aus einer aktiven Schicht und einer Substratschicht, die durch einen Luftspalt getrennt sind. Wenn eine Spannung angelegt wird, erzeugen Elektroden in der aktiven Schicht elektrische Felder, die entgegengesetzte Ladungen in der Substratschicht induzieren. Die elektrostatische Anziehung zwischen diesen Ladungen bewirkt, dass sich die aktive Schicht in Richtung des Substrats biegt. Die Ansteuerung des STFA kann durch Modulation der Frequenz und Amplitude des Spannungssignals gesteuert werden.

STFAs können eine schnelle Betätigung erreichen und die Funktionalität auch bei mechanischen Störungen aufrechterhalten. Zum Beispiel behielt ein Kriechroboter, der STFAs verwendete, seine Funktionalität auch bei kontinuierlichen Hammerschlägen⁹ bei und wurde sogar mit drei Metallnadeln durchstochen (siehe Ergänzendes Video 1 und Ergänzendes Video 2). Als Greifer übertreffen flexible Aktuatoren starre Gegenstücke in Bezug auf die Anpassungsfähigkeit¹⁰. Ihre nachgiebigen Oberflächen passen sich eng an die Objektgeometrien an, wodurch das Risiko einer Beschädigung zerbrechlicher Gegenstände beim Greifen minimiert wird.

Die Betriebsstabilität der STFAs entspricht den Anforderungen von Wearable-Anwendungen. Sie wandeln elektrische Signale durch räumlich gezielte taktile Betätigung direkt in mechanische Reize um. Eine haptische Feedback-Schnittstelle, die mit STFAs konstruiert ist, demonstriert eine effektive Informationsübertragung, indem sie Signale mit mehreren Intensitäten an die Fingerspitzen liefert⁹.

Der Hauptbeitrag dieser Studie besteht darin, einen effizienten Aktuator mit einem einfachen Herstellungsprozess vorzuschlagen. Der STFA ist flexibel, robust und kann eine gute Leistung in Bezug auf den Stromverbrauch beibehalten. Das multifunktionale Potenzial von STFAs wird durch drei Anwendungen validiert: kriechende Roboter, weiche Robotergreifer und haptische Feedback-Schnittstellen. Die kriechenden Roboter demonstrieren die bewegungstreibenden Fähigkeiten der STFAs. Die haptischen Feedback-Schnittstellen unterstreichen ihren Nutzen für die Mensch-Maschine-Interaktion. Diese Implementierungen bestätigen zusammen das Potenzial der STFAs in den Bereichen Softrobotik und tragbare Technologien.

Protokoll

Dieses Protokoll beschreibt die Herstellungsphasen von STFA und STFA-basierten Kriechrobotern, weichen Robotergreifern und haptischen Feedback-Schnittstellen. Abbildung 2, Abbildung 3, Abbildung 4 und Abbildung 5 zeigen den schrittweisen Herstellungsprozess des Geräts. Die in dieser Studie verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Herstellung eines weichen Dünnschichtaktors

1. Entwerfen Sie das interdigitalisierte Elektrodenmuster (Abbildung 2A).
2. Konfigurieren Sie die Parameter der Lasergravur (Schneiden: Leistung = 20, Geschwindigkeit = 10, PPI/Hz = 1000).
3. Schneiden Sie ein Stück Folie aus Polyethylenterephthalat (PET) mit Aluminiumbeschichtung (100 μm Dicke) mit den Maßen 30 cm × 20 cm zu.
4. Positionieren Sie die PET-Folie mit der Aluminiumseite nach oben in den Arbeitsbereich des Laserschneiders.
5. Führen Sie eine Laserstrukturierung der PET-Folie durch (Gravur: Leistung = 55, Geschwindigkeit = 100, PPI/Hz = 1000, Schneiden: Leistung = 20, Geschwindigkeit = 10, PPI/Hz = 1000, Abbildung 2B und Abbildung 2C).
6. Elektrische Leitungen anbringen: Legen Sie zwei Drähte an die Anschlusspads der gemusterten PET-Folie. Sichere Verbindungen mit leitfähigem Klebstoff.
7. Verkapseln Sie das Gerät: Decken Sie die PET-Folien-Blei-Schnittstelle vollständig mit Klebeband ab (Abbildung 2D).
   HINWEIS: Die fertige Stichprobe des STFA ist in Abbildung 2E dargestellt.

2. Herstellung des Kriechroboters

1. Zeichnen Sie mit Hilfe einer CAD-Software das Muster der Draufsicht auf das Vorder- und Hinterbein für den Krabbelroboter (Abbildung 3A).
2. Schneiden Sie die Beinmuster mit dem Lasercutter aus einer 100 μm dicken Folie aus Polyethylenterephthalat (PET) (Schneiden: Leistung = 20, Geschwindigkeit = 10, PPI/Hz = 1000, Abbildung 3B).
3. Bereiten Sie zwei doppelseitige Klebebänder mit einer Stärke von 0,1 mm (je 11 mm × 3 mm) vor. Befestigen Sie sie an den vorderen und hinteren Enden des STFA (Abbildung 3C).
4. Biegen Sie die Spitzen der Wurfarme mit einer Pinzette um ca. 45° und stellen Sie sicher, dass die Spitzen einen gleichmäßigen Winkel bilden (Abbildung 3D).
5. Stellen Sie eine STFA mit Gesamtabmessungen von 35 mm × 11 mm her, mit 1 mm breiten Elektroden und einem Elektrodenabstand von 0,5 mm.
6. Bauen Sie den Krabbelroboter zusammen, indem Sie die Vorder- und Hinterbeine an den STFA kleben (Abbildung 3E).

3. Herstellung des weichen Robotergreifers

1. Herstellung von STFA mit Polydimethylsiloxan (PDMS) als Substrat:
   1. Geben Sie 20 g PDMS Sylgard Teil A und 0,4 g Teil B in einen Mischtopf und mischen Sie das Silikon mit einem Vakuummischer (Phase 1: Druck = 100 kPa, Betriebsdauer = 30 s.; Phase 2: Druck = 1 kPa, Betriebszeit = 30 s).
   2. Mit der mikroautomatischen Beschichtungsmaschine (Laufgeschwindigkeit = 2, Abstreifhöhe = 0,7 mm) tragen Sie das gemischte Silikon auf ein PET-Substrat im A4-Format auf (Abbildung 4A).
   3. Schneiden Sie die Maske mit interdigitalisiertem Elektrodenmuster (Schnitt: Leistung = 20, Geschwindigkeit = 10, PPI/Hz = 1000, Abbildung 4B).
   4. Legen Sie die Maske auf silikonbeschichtetes PET und sprühen Sie mit einer Airbrush (mit einem Düsenabstand von 10 cm, einem Druck von 15 psi, einem Winkel von 45-60 Grad und einer Dosierung von 5 ml) Kohlepulver auf, um die Elektroden zu bilden (Abbildung 4C).
   5. Entfernen Sie die Maske und stellen Sie sicher, dass sich nach dem Entfernen der Maske kein Kohlenpulverabstrich zwischen benachbarten Elektroden befindet (Abbildung 4D).
   6. Das STFA ausstechen und P(VDF-TrFE-CTFE)-Pulver in Dimethylformamid (4,76 Gew.-%)¹¹ auflösen. Verwenden Sie die Airbrush (mit einem Düsenabstand von 10 cm, einem Druck von 15 psi, einem Winkel von 45-60 Grad und einer Dosierung von 10 mL), um die gemischte Lösung auf die Elektrode zu sprühen (Abbildung 4E).
   7. Schließen Sie die elektrischen Kabel an den STFA an (Abbildung 4F).
   8. Entfernen Sie das PET-Substrat im A4-Format
2. Integrieren Sie die STFAs in den Roboterarm.
3. Verlegen Sie die elektrischen Verbindungen.

4. Herstellung der haptischen Feedback-Schnittstelle

1. Stellen Sie eine STFA mit Gesamtabmessungen von 35 mm × 11 mm her, mit 1 mm breiten Elektroden und einem Elektrodenabstand von 0,5 mm.
2. Entwerfen Sie die Deckschicht- und Substratschichtmuster für die STFA (Abbildung 5A).
3. Entwerfen Sie das äußere Konturmuster für die Substratschicht (Abbildung 5B).
4. Laserschneiden der Deckschicht und der Substratschichten nach Schritt 1 (Schneiden: Leistung = 20, Geschwindigkeit = 10, PPI/Hz = 1000, Abbildung 5C).
5. Schneiden Sie ein 0,8 mm dickes Klebeband passend zum Konturmuster aus Schritt 4.3 mit dem Laser und kleben Sie es mit der Substratschicht (Schneiden: Leistung = 20, Geschwindigkeit = 10, PPI/Hz = 1000, Abbildung 5D).
6. Kleben Sie das STFA auf die Substratschicht (Abbildung 5E).
7. Kleben Sie die Deckschicht auf die Substratschicht (Abbildung 5F).
8. Integrieren Sie STFA in Steckverbinder, um die haptische Feedback-Schnittstelle zu montieren (Abbildung 5G).
   HINWEIS: Die Struktur und das fertige Muster der haptischen Feedback-Schnittstelle sind in Abbildung 5H,I dargestellt.

Ergebnisse

Um die vorgeschlagene Methode zu demonstrieren, skizziert das Protokoll die Herstellung von Prototyp-Geräten und die Durchführung der Funktionsvalidierung. Zunächst wird der Herstellungsprozess des STFA detailliert beschrieben. Abbildung 2A zeigt das entworfene Elektrodenmuster, bestehend aus interdigitalisierten Elektroden, die in Verbindungspads für die Leitungsbefestigung enden. Abbildung 2E zeigt die abgeschlossene STFA. Währ...

Diskussion

Mit dieser Methode wurde die erfolgreiche Herstellung von STFAs erreicht, gefolgt von einer Demonstration ihres Potenzials in drei verschiedenen Anwendungen. Die STFA-Herstellung umfasst drei kritische Schritte: (1) Angemessenes 2D-Design: Die Geometrie des Elektrodenmusters bestimmt die Abmessungen des Aktuators, während die Anzahl und die Abmessungen der interdigitalisierten Elektroden die Betätigungsleistung entscheidend bestimmen; (2) Zuverlässige elektrische Schnittstelle: Die ordnu...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
0,1 mm doppelseitiges Klebeband	3M
0,8 mm doppelseitiges Klebeband	3M	Ungarischer Verband
3D-Drucker	Bambu	X1-Karbon
Airbrush	Zusammenbeißen	LP-131	Der Düsenabstand beträgt 10 cm, der Druck 15 psi, der Winkel 45 bis 60 Grad
AutoCAD	Autodesk
leitfähiger Klebstoff	Jinshida	Nr. K-818
Dimethylformamid	Macklin	CAS 68-12-2
Laserschneider	Trotec	Frage 400	Gravur: Leistung = 55, Geschwindigkeit = 100, Impulse pro Zoll (PPI)/Hz = 1000 Schneiden: Leistung = 20, Geschwindigkeit = 10, PPI/Hz = 1000
Automatische Mikrobeschichtungsmaschine	BEVS	1818H	Laufgeschwindigkeit = 2, Abstreifhöhe = 0,7 mm
P(VDF-TrFE-CTFE)	Piezotech-Arkema
Folie aus Polyethylenterephthalat (PET) mit Aluminium	Pinhao Technologie
Roboterarm	Ja	Am1
Silikon-Elastomer-Basis	Sylgard	184
Einseitiges Klebeband	Deli