Herstellung von kohlenstoffbasierten ionischen Elektromechanischen Soft Actuatoren

Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung von kohlenstoffbasiertem elektromechanisch aktivem Material für biomedizinische und weiche Robotikanwendungen. Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass sie die reproduzierbare Fertigung von ionenatonischen Aktuatoren auch in großen Mengen ermöglicht. Wenn Sie sich dieses Video ansehen, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie ionische Aktuatoren fabridienen und verwenden können.

Das Protokoll ist in fünf Schritte unterteilt. Zunächst wird eine ionenleitende Membran hergestellt. Es wird dann mit Kohlenstoff-basierten Elektroden bedeckt, an denen die Goldstromkollektoren befestigt sind.

Nach dem Schneiden der Probe in Form, ist das Material gebrauchsfertig. Wählen Sie zunächst zwischen einer Tri-PTFE-Membran, der gleichen Membran, die in Elektrolyt eingeweicht ist, oder einer textilverstärkten Membran. Jede Option führt zu einem funktionalen Aktuator.

Im Text finden Sie Hilfe zur Auswahl. Das Material wird mit einem Rahmen hergestellt. Nehmen Sie ein ptFE-Blatt mit hoher Porosität und legen Sie es über den Rahmen.

Taut und befestigen Sie das Blatt auf dem Rahmen. Achten Sie darauf, die trockene Membran nicht zu beschädigen. Sobald die Membran fertig ist, springen Sie zum Elektrodenfertigungsschritt über.

Nehmen Sie eine große Petrischale und legen Sie ein hochporosity PTFE-Blatt hinein. Fügen Sie einen Überschuss an ionischer Flüssigkeit hinzu. Stellen Sie sicher, dass das gesamte Blatt abgedeckt ist.

Sobald die Membran ausreichend eingeweicht ist, entfernen Sie den Überschuss mit einer Pipette. Legen Sie die Membran vorsichtig zwischen Filterpapiere, um alle verbleibenden ionischen Flüssigkeiten zu entfernen, die nicht von der PTFE-Platte absorbiert wurden. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das Blatt halbtransparent, aber nicht nass ist.

Taut und befestigen Sie die durchnässte Membran auf einem Kunststoffrahmen. Achten Sie darauf, Falten und Falten zu vermeiden. Nun, da die Membran fertig ist, springen Sie vor dem Elektrodenfertigungsschritt.

Nehmen Sie einen Stoff mit feinen inerten Fasern und befestigen Sie ihn an einem Rahmen. Achten Sie darauf, es gut zu straffen. Schneiden Sie überschüssiges Gewebe mit einer Schere.

Entfernen Sie vorsichtig lose Fasern. Während der Arbeit unter der Dunstabzugshaube, bedecken Sie das Gewebe mit einer dünnen Schicht Membranlösung. Siehe den Text für das genaue Rezept.

Lassen Sie die erste Schicht vollständig trocknen. Verwenden Sie zunächst die Wärmepistole und später die Wärmepistole zusammen mit einem speziellen Setup, um den Trocknungsprozess zu beschleunigen. Vermeiden Sie die Verwendung einer zu hohen Spinrate auf einer vollständig nassen Membran, da dies zum Verlust von aktivem Material führen kann.

Weitere Informationen finden Sie im Text. Prüfen Sie die Membran gegen Hintergrundbeleuchtung auf Lochlöcher. Legen Sie Beschichtungsschichten auf, bis eine defektfreie Membran erhalten ist.

Fügen Sie nachfolgende Membranschichten mit äußerster Vorsicht hinzu. Dünne Schichten wie möglich auftragen und nie zweimal über nasse Oberflächen gehen. Tragen Sie Ebenen auf beiden Seiten auf.

Auf diese Weise bleibt die Verstärkung in der Mitte des Verbunds. Lassen Sie eine Schicht trocknen, bevor Sie eine andere hinzufügen. Sobald eine defektfreie Membran erhalten ist, überprüfen Sie ihre Dicke mit einem Dickenmessgerät.

Derzeit sind es 54 Mikrometer. In einem versiegelten Kolben das Polymer im Lösungsmittel auflösen, indem man über Nacht bei 70 Grad Celsius mit einem Magnetrührer und einer temperaturgeregelten Kochplatte rührt. Siehe den Text für das genaue Rezept.

In einen anderen Kolben, wiegen Sie das Kohlenstoffpulver, fügen Sie ionische Flüssigkeit, Lösungsmittel und eine magnetische Rührstange. Den Kolben versiegeln und mischen. Sobald sich die Kohlenstoffsuspension homogenisiert hat und das Polymer sich gelöst hat, fixieren oder entfernen Sie die magnetische Perle und gießen Sie die Polymerlösung in die Kohlenstoffsuspension.

Verwenden Sie 10 Milliliter Lösungsmittel, um Polymerrückstände von den Kolbenwänden zu entfernen und in die Kohlenstoffsuspension einzubauen. Homogenisieren Sie die Suspension mit einer Ultraschallsonde. Danach ist die Suspension einsatzbereit oder lagerreif.

Füllen Sie das Reservoir einer Spritzpistole oder Luftbürste mit Aceton. Testen Sie zuerst den Fluss auf einem Blatt Papier. Stellen Sie sicher, dass die Luftbürste sauber und frei von Verstopfungen ist.

Während der Lagerung kann sich die Suspension in ein Gel verwandeln. Mischen Sie es in einem geschlossenen Gefäß bei 70 Grad Celsius, um eine Flüssigkeit zu erhalten. Füllen Sie das Reservoir der Luftbürste mit der Elektrodensuspension.

Testen Sie zuerst den Federungsfluss auf einem Blatt Papier. Nehmen Sie die vorbereitete Membran. Beginnen Sie, die Spritzpistole zu bewegen, bevor Sie mit dem Sprühen beginnen.

Halten Sie die Waffe in geraden Schlägen in Bewegung. Lassen Sie eine Seite trocknen, bevor Sie beginnen, auf die andere zu sprühen. Sprühen, bis die gewünschte Dicke erreicht ist.

Entfernen Sie das Material vorsichtig aus dem Rahmen. Wenn die textilverstärkte Membran verwendet wurde, dann richten Sie den Schnitt mit den Fasern aus. Schneiden Sie ein vier mal drei Zentimeter großes Stück mit einem Metalllineal und einem Skalpell.

Diese Schnittgröße ist am bequemsten für kleine bis mittlere Chargen. Es ist jedoch nicht entscheidend, arbeitstüdrungen zu erhalten. Nehmen Sie ein Metallrohr oder -rohr und fixieren Sie das geschnittene Stück darauf.

Versuchen Sie, nur etwa einen Millimeter des Aktuatormaterials mit Klebeband zu überlappen. Nehmen Sie ein Blatt feingold auf Transferpapier und schneiden Sie es in vier mal vier Zentimeter Stücke. Legen Sie einen von ihnen auf ein Tissuepapier.

Sprühen Sie den Verbund stofft mit einer dünnen Schicht Kleber. Siehe den Text für das genaue Rezept. Schnell die Lagerung der Luft bürsten aufrecht.

Rollen Sie das Rohr über das Blattblatt, während der Kleber noch nass ist. Zum Walzen ist kein übermäßiger Druck erforderlich. Entfernen Sie den Transfer und rollen Sie das Tissuepapier erneut, um sicherzustellen, dass das Gold richtig befestigt ist.

Legen Sie das Material zum Trocknen. Nach dem Trocknen das Band vorsichtig entfernen, um das Material aus dem Rohr zu lösen. Reinigen Sie das Rohr mit Aceton.

Fixieren Sie das Material auf dem Rohr, goldbeschichtete Seite zum Rohr. Wiederholen Sie dann die Schritte, um den aktuellen Kollektor auch auf der anderen Seite anzuhängen. Beachten Sie die Seiten, die mit Klebeband bedeckt waren.

Schneiden Sie Rechtecke oder komplexere Formen aus. Eine Vier mal 20-Millimeter-Probe eignet sich gut für die Charakterisierung. Richten Sie die Probenlänge an einer geschwungenen Richtung aus.

Der weiche Greifer muss zuerst thermogeformt werden. Den Aktuator in eine Glas-Fläschigkeitsform geben, um den Greifer in Form zu bringen. Sobald sich der Aktuator im Inneren der Form befindet, legen Sie sie beide in einen Ofen oder verwenden Sie das Infrarotlicht.

Der Greifer wird zwischen Goldkontakten platziert, die Goldseite zum aktiven Material. Spannungsschritte werden angewendet, um die Nutzlast zu verarbeiten. Öffnen des Greifers.

Schließen des Greifers. Heben der Nutzlast von Hand. Testen des Griffs.

Und schließlich, die Freigabe der Nutzlast. Kelvin-Clips werden für die Charakterisierung verwendet. Platzieren Sie den Aktuator zwischen den Klemmen und überwachen Sie den Winkel Alpha mit einer Videokamera.

Bei Dreieckssignalen ist die aktuelle Reaktion eines Funktionsaktors kapazitiv. Während die Antwort einer fehlerhaften Probe dem Ohm-Gesetz genau folgt und widersprochen ist. Verwenden Sie die Rasterelektronenmikroskopie, um die Aktuatorstruktur zu beschreiben.

Die Proben werden mit flüssigem Stickstoff eingefroren, um saubere Querschnitte zu erhalten. Achtung: Schließen Sie niemals den Deckel eines flüssigen Stickstoffbehälters. Der Druckaufbau kann zu schweren Verletzungen führen.

Zuerst den Aktuator für ein paar Minuten in flüssigem Stickstoff einfrieren. Verwenden Sie dann zwei Sätze von kühlen Pinzetten, um die gefrorene Probe zu brechen. Textilverstärkte Aktuatoren könnten auch im gefrorenen Zustand nicht brechen.

Ein Skalpell zusammen mit dem Aktuator einfrieren und die gefrorene Probe in zwei Stücke schneiden. Dies ist ein Querschnitt eines PTFE-Aktuators, der zwei Kohlenstoffelektroden zeigt, die durch eine PTFE-Membran getrennt sind und den Aktuator bilden. Der Kernpunkt dieser Methode ist die Aufnahme einer inerten Verstärkung wie PTFE in die Membranschicht.

Dies vereinfacht den Herstellungsprozess erheblich und ermöglicht die reproduzierbare Herstellung der aktiven Materialien in großem Maßstab. Unsere Methode zeigt einen vielversprechenden Weg zur industriellen Fertigung von ionischen Aktuatoren.