Diseño, fabricación y demostración de actuadores de película delgada blanda

Resumen

Los actuadores blandos se pueden utilizar en la fabricación de robots blandos y dispositivos portátiles. Su cumplimiento les permite mantener la funcionalidad incluso cuando se deforman. Aquí, se presenta un protocolo para fabricar actuadores de película delgada blanda y demostrar su aplicación en robots de rastreo, pinzas robóticas blandas e interfaces de retroalimentación háptica.

Resumen

Los actuadores blandos presentan propiedades prometedoras con respecto a las aplicaciones en robótica blanda e interfaces hombre-máquina. Especialmente cuando interactúan directamente con la piel humana, los actuadores delgados y suaves pueden hacer coincidir el acoplamiento mecánico con el tejido humano. La exploración de mejorar el rendimiento y la robustez de los actuadores blandos es crucial para el desarrollo de dispositivos flexibles. La demanda de dispositivos robustos y flexibles plantea desafíos para el rendimiento y los métodos de fabricación de los actuadores. El artículo ilustra técnicas para el diseño y la fabricación de actuadores de película delgada blanda. Estos actuadores blandos son robustos y demuestran potencial en escenarios versátiles. Este protocolo muestra el potencial de los actuadores de película delgada en tres aplicaciones diferentes. Primero, se fabricó un robot rastrero impulsado por actuadores de película delgada suave. El robot es extremadamente robusto. Puede sobrevivir al martilleo continuo y seguir funcionando incluso con tres agujas de metal perforadas a través de su cuerpo. En segundo lugar, se fabricó una pinza robótica suave, que puede realizar manipulaciones finas, como agarrar una hoja de papel sin dañarla. En tercer lugar, se fabricó un dispositivo de retroalimentación háptica con un actuador de película delgada, que puede proporcionar retroalimentación táctil al interactuar con la piel humana. Este protocolo demuestra procesos de fabricación eficientes para actuadores robustos de película delgada blanda, con varios potenciales de aplicación para impulsar robótica blanda robusta.

Introducción

En comparación con los motores rígidos, los actuadores flexibles exhiben un cumplimiento y adaptabilidad superiores¹. Son ampliamente utilizados en la fabricación de robots blandos y sensores. Los tipos actuales de actuadores blandos incluyen actuadores neumáticos², actuadores de combustible químico³, actuadores hidráulicos⁴, actuadores de aleación con memoria de forma (SMA)⁵, actuadores de elastómero dieléctrico⁶ y actuadores de polímeros electroactivos⁷. El propósito de esta investigación es diseñar un actuador flexible con un proceso de fabricación simple y un rendimiento robusto. Las características anteriores se describirán en el siguiente texto.

El actuador de película delgada suave (STFA) desarrollado funciona a través del principio de electroadhesión (EA)⁸. La estructura y el principio de funcionamiento de los STFA se muestran en la Figura 1. Su estructura comprende una capa activa y una capa de sustrato separadas por un espacio de aire. Cuando se aplica un voltaje, los electrodos en la capa activa generan campos eléctricos, induciendo cargas opuestas en la capa de sustrato. La atracción electrostática entre estas cargas hace que la capa activa se doble hacia el sustrato. El accionamiento del STFA se puede controlar modulando la frecuencia y amplitud de la señal de voltaje.

Los STFA pueden lograr un accionamiento rápido y mantener la funcionalidad bajo perturbaciones mecánicas. Por ejemplo, un robot rastrero que usaba STFA mantenía la funcionalidad bajo golpes continuos de martillo⁹, e incluso era perforado con tres agujas de metal (demostrado en el Video complementario 1 y el Video complementario 2). Como pinzas, los actuadores flexibles superan a sus homólogos rígidos en adaptabilidad¹⁰. Sus superficies compatibles se ajustan estrechamente a las geometrías de los objetos, minimizando los riesgos de daños a los artículos frágiles durante el agarre.

La estabilidad operativa de los STFA se ajusta a los requisitos de las aplicaciones portátiles. Transducen directamente las señales eléctricas en estímulos mecánicos a través de la actuación táctil espacialmente dirigida. Una interfaz de retroalimentación háptica construida con STFA, demuestra una transferencia de información efectiva al entregar señales de intensidad múltiple a la punta de los dedos⁹.

La principal contribución de este estudio es proponer un actuador eficiente con un proceso de fabricación simple. El STFA es flexible, robusto y puede mantener un buen rendimiento en términos de consumo de energía. Los potenciales multifuncionales de los STFA se validan a través de tres aplicaciones: robots de rastreo, pinzas robóticas blandas e interfaces de retroalimentación háptica. Los robots rastreros demuestran las capacidades de conducción de movimiento de los STFA. Las interfaces de retroalimentación háptica resaltan su utilidad de interacción hombre-máquina. Estas implementaciones confirman colectivamente el potencial de los STFA en robótica blanda y tecnologías portátiles.

Protocolo

Este protocolo describe las fases de fabricación de robots de rastreo basados en STFA y STFA, pinzas robóticas blandas e interfaces de retroalimentación háptica. La Figura 2, la Figura 3, la Figura 4 y la Figura 5 muestran el proceso de fabricación de dispositivos paso a paso. Los reactivos y el equipo utilizado en este estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Fabricación de un actuador de película delgada suave

1. Diseñe el patrón de electrodos interdigitados (Figura 2A).
2. Configure los parámetros de grabado láser (corte: potencia = 20, velocidad = 10, PPI / Hz = 1000).
3. Cortar un trozo de lámina de tereftalato de polietileno (PET) con revestimiento de aluminio (100 μm de espesor), con dimensiones de 30 cm × 20 cm.
4. Coloque la lámina de PET, con el aluminio hacia arriba, en el espacio de trabajo de la cortadora láser.
5. Realice patrones láser de la lámina de PET (grabado: potencia = 55, velocidad = 100, PPI / Hz = 1000, corte: potencia = 20, velocidad = 10, PPI / Hz = 1000, Figura 2B y Figura 2C).
6. Conecte los cables eléctricos: Coloque dos cables en las almohadillas de los terminales de la lámina de PET estampada. Asegure las conexiones con adhesivo conductor.
7. Encapsular el dispositivo: Cubra completamente la interfaz de lámina de PET-plomo con cinta adhesiva (Figura 2D).
   NOTA: La muestra completa del STFA se muestra en la Figura 2E.

2. Fabricación del robot rastreador

1. Dibuje el patrón de vista superior de la pata delantera y trasera del robot de rastreo utilizando el software CAD (Figura 3A).
2. Corte los patrones de las patas con la cortadora láser de una lámina de tereftalato de polietileno (PET) de 100 μm de espesor (corte: potencia = 20, velocidad = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 3B).
3. Prepare dos cintas adhesivas de doble cara de 0,1 mm de espesor (11 mm × 3 mm cada una). Fíjelos a los extremos delantero y trasero del STFA (Figura 3C).
4. Doble las puntas de las extremidades aproximadamente 45° con pinzas y asegúrese de que las puntas formen un ángulo constante (Figura 3D).
5. Fabrique un STFA con dimensiones totales de 35 mm × 11 mm, con electrodos de 1 mm de ancho y un espacio entre electrodos de 0,5 mm.
6. Ensamble el robot rastrero adhiriendo las patas delanteras y traseras al STFA (Figura 3E).

3. Fabricación de la pinza robótica blanda

1. Fabricar STFA con polidimetilsiloxano (PDMS) como sustrato:
   1. Añadir 20 g de PDMS Sylgard parte A y 0,4 g parte B a un recipiente mezclador y mezclar la silicona con un mezclador de vacío (fase 1: presión = 100 kPa, tiempo de funcionamiento = 30 s.; fase 2: presión = 1 kPa, tiempo de funcionamiento = 30 s).
   2. Utilice la máquina de recubrimiento microautomática (velocidad de funcionamiento = 2, altura del raspador = 0,7 mm) para aplicar la silicona mezclada sobre un sustrato de PET de tamaño A4 (Figura 4A).
   3. Corte la máscara con un patrón de electrodos interdigitados (corte: potencia = 20, velocidad = 10, PPI / Hz = 1000, Figura 4B).
   4. Coloque la mascarilla sobre PET recubierto de silicona y use un aerógrafo (con una distancia de boquilla de 10 cm, presión de 15 psi, ángulo de 45-60 grados y dosis de 5 ml) para rociar polvo de carbón para formar los electrodos (Figura 4C).
   5. Retire la máscara y verifique que no haya manchas de polvo de carbón entre los electrodos adyacentes después de quitar la máscara (Figura 4D).
   6. Cortar el STFA y disolver el polvo de P(VDF-TrFE-CTFE) en dimetilformamida (4,76 % en peso)¹¹. Use el aerógrafo (con una distancia de boquilla de 10 cm, presión de 15 psi, ángulo de 45-60 grados y dosis de 10 ml) para rociar la solución mezclada en el electrodo (Figura 4E).
   7. Conecte los cables eléctricos al STFA (Figura 4F).
   8. Retire el sustrato de PET de tamaño A4
2. Integre los STFA en el brazo robótico.
3. Enrute las conexiones eléctricas.

4. Fabricación de la interfaz de retroalimentación háptica

1. Fabrique un STFA con dimensiones totales de 35 mm × 11 mm, con electrodos de 1 mm de ancho y un espacio entre electrodos de 0,5 mm.
2. Diseñe los patrones de capa de cobertura y capa de sustrato para el STFA (Figura 5A).
3. Diseñe el patrón de contorno externo para la capa de sustrato (Figura 5B).
4. Corte láser de las capas de cubierta y sustrato siguiendo el paso 1 (corte: potencia = 20, velocidad = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 5C).
5. Corte con láser una cinta adhesiva de 0,8 mm de espesor que coincida con el patrón de contorno del paso 4.3 y péguela a la capa de sustrato (corte: potencia = 20, velocidad = 10, PPI / Hz = 1000, Figura 5D).
6. Pegue el STFA sobre la capa de sustrato (Figura 5E).
7. Pegue la capa de cobertura sobre la capa de sustrato (Figura 5F).
8. Integre STFA con conectores para ensamblar la interfaz de retroalimentación háptica (Figura 5G).
   NOTA: La estructura y la muestra completa de la interfaz de retroalimentación háptica se muestran en la Figura 5H, I.

Resultados

Para demostrar el método propuesto, el protocolo describe la fabricación de prototipos de dispositivos y el rendimiento de la validación funcional. En primer lugar, se detalla el proceso de fabricación del STFA. La Figura 2A muestra el patrón de electrodos diseñado, que comprende electrodos interdigitados que terminan en almohadillas de conexión para la conexión de cables. La Figura 2E muestra el STFA completado. Durante el funci...

Discusión

Utilizando esta metodología, se logró una fabricación exitosa de STFA, seguida de una demostración de su potencial en tres aplicaciones distintas. La fabricación de STFA implica tres pasos críticos: (1) diseño 2D apropiado: la geometría del patrón de electrodos dicta las dimensiones del actuador, mientras que la cantidad y las dimensiones de los electrodos interdigitados determinan críticamente el rendimiento de actuación; (2) interfaz eléctrica confiable: la conexión adecuada de la capa...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Cinta de doble cara de 0,1 mm	3M
Cinta de doble cara de 0,8 mm	3M	VHB
Impresora 3D	Bambú	X1-Carbono
Aerógrafo	Aprieta	LP-131	La distancia de la boquilla es de 10 cm, la presión es de 15 psi, el ángulo es de 45 a 60 grados
AutoCAD	Autodesk
adhesivo conductor	Jinshida	K-818
Dimetilformamida	Macklin	CAS 68-12-2
Cortadora láser	Trotec	Pregunta 400	Grabado: potencia = 55, velocidad = 100, pulsos por pulgada (PPI) / Hz = 1000 < br / > Corte: potencia = 20, velocidad = 10, PPI / Hz = 1000
Máquina de recubrimiento microautomática	BEVS	1818H	Velocidad de funcionamiento = 2, altura del rascador = 0,7 mm
P (VDF-TrFE-CTFE)	Piezotech-Arkema
Lámina de tereftalato de polietileno (PET) con aluminio	Tecnología Pinhao
Brazo robótico	Sí, bot	Am1
Base de elastómero de silicona	Sylgard	184
Cinta adhesiva de una cara	Deli