Conception, fabrication et démonstration d’actionneurs à couche mince souple

Résumé

Les actionneurs souples peuvent être utilisés dans la fabrication de robots mous et de dispositifs portables. Leur conformité leur permet de conserver leurs fonctionnalités même lorsqu’elles sont déformées. Ici, un protocole est présenté pour fabriquer des actionneurs à couche mince souple et pour démontrer leur application dans les robots rampants, les préhenseurs robotiques souples et les interfaces de retour haptique.

Résumé

Les actionneurs souples présentent des propriétés prometteuses en termes d’applications dans la robotique douce et les interfaces homme-machine. En particulier lors de l’interface directe avec la peau humaine, les actionneurs minces et souples peuvent correspondre au couplage mécanique avec les tissus humains. L’exploration de l’amélioration des performances et de la robustesse des actionneurs souples est cruciale pour le développement de dispositifs flexibles. La demande de dispositifs robustes et flexibles pose des défis aux performances et aux méthodes de fabrication des actionneurs. L’article illustre les techniques de conception et de fabrication d’actionneurs à couche mince souple. Ces actionneurs souples sont robustes et démontrent leur potentiel dans des scénarios polyvalents. Ce protocole montre le potentiel des actionneurs à couche mince dans trois applications différentes. Tout d’abord, un robot rampant entraîné par des actionneurs à couche mince souple a été fabriqué. Le robot est extrêmement robuste. Il peut survivre à un martelage continu et rester fonctionnel même avec trois aiguilles métalliques perforées à travers son corps. Deuxièmement, une pince robotique souple, capable d’effectuer des manipulations fines telles que saisir un morceau de papier sans l’endommager, a été fabriquée. Troisièmement, un dispositif de retour haptique avec un actionneur à couche mince a été fabriqué, qui peut fournir un retour tactile lors de l’interaction avec la peau humaine. Ce protocole démontre des processus de fabrication efficaces pour des actionneurs à couche mince souples robustes, avec divers potentiels d’application pour piloter une robotique douce robuste.

Introduction

Par rapport aux moteurs rigides, les actionneurs flexibles présentent une conformité et une adaptabilité supérieures¹. Ils sont largement utilisés dans la fabrication de robots mous et de capteurs. Les types actuels d’actionneurs souples comprennent les actionneurs pneumatiques², les actionneurs à carburant chimique³, les actionneurs hydrauliques⁴, les actionneurs en alliage à mémoire de forme (SMA)⁵, les actionneurs en élastomère diélectrique⁶ et les actionneurs en polymères électroactifs⁷. L’objectif de cette recherche est de concevoir un actionneur flexible avec un processus de fabrication simple et des performances robustes. Les caractéristiques ci-dessus seront décrites dans le texte suivant.

L’actionneur à couche mince souple (STFA) développé fonctionne selon le principe d’électroadhérence (EA)⁸. La structure et le principe de fonctionnement des STFA sont illustrés à la figure 1. Sa structure se compose d’une couche active et d’une couche de substrat séparées par un espace d’air. Lorsqu’une tension est appliquée, les électrodes de la couche active génèrent des champs électriques, induisant des charges opposées dans la couche de substrat. L’attraction électrostatique entre ces charges fait plier la couche active vers le substrat. L’actionnement du STFA peut être contrôlé en modulant la fréquence et l’amplitude du signal de tension.

Les STFA peuvent obtenir un actionnement rapide et maintenir la fonctionnalité en cas de perturbations mécaniques. Par exemple, un robot rampant utilisant des STFA a maintenu sa fonctionnalité sous des coups de marteau continus⁹, et a même été perforé avec trois aiguilles métalliques (démontré dans la vidéo supplémentaire 1 et la vidéo supplémentaire 2). En tant que préhenseurs, les actionneurs flexibles surpassent leurs homologues rigides en termes d’adaptabilité¹⁰. Leurs surfaces conformes s’adaptent étroitement aux géométries des objets, minimisant ainsi les risques d’endommagement des objets fragiles lors de la préhension.

La stabilité de fonctionnement des STFA répond aux exigences des applications portables. Ils transduisent directement les signaux électriques en stimuli mécaniques par le biais d’un actionnement tactile ciblé dans l’espace. Une interface de retour haptique construite avec des STFA démontre un transfert d’informations efficace en délivrant des signaux de multi-intensité au bout des doigts⁹.

La principale contribution de cette étude est de proposer un actionneur efficace avec un processus de fabrication simple. Le STFA est flexible, robuste et peut maintenir de bonnes performances en termes de consommation d’énergie. Le potentiel multifonctionnel des STFA est validé par trois applications : les robots rampants, les préhenseurs robotiques souples et les interfaces de retour haptique. Les robots rampants démontrent les capacités de conduite de mouvement des STFA. Les interfaces à retour haptique mettent en évidence leur utilité d’interaction homme-machine. Ces mises en œuvre confirment collectivement le potentiel des STFA en matière de robotique douce et de technologies portables.

Protocole

Ce protocole décrit les phases de fabrication des robots rampants STFA et STFA, des préhenseurs robotiques souples et des interfaces de retour haptique. Les figures 2, 3, 4 et 5 illustrent le processus de fabrication du dispositif étape par étape. Les réactifs et l’équipement utilisés dans cette étude sont énumérés dans la table des matériaux.

1. Fabrication d’un actionneur à couche mince souple

1. Concevez le motif d’électrodes interdigitées (Figure 2A).
2. Configurez les paramètres de gravure laser (découpe : puissance = 20, vitesse = 10, PPI/Hz = 1000).
3. Découpez un morceau de feuille de polyéthylène téréphtalate (PET) avec un revêtement en aluminium (100 μm d’épaisseur), avec des dimensions de 30 cm × 20 cm.
4. Positionnez la feuille PET, côté aluminium vers le haut, dans l’espace de travail de la découpeuse laser.
5. Effectuez un motif laser de la feuille PET (gravure : puissance = 55, vitesse = 100, PPI/Hz = 1000, découpe : puissance = 20, vitesse = 10, PPI/Hz = 1000, figure 2B et figure 2C).
6. Fixez les fils électriques : Placez deux fils sur les borniers de la feuille PET à motifs. Sécurisez les connexions avec un adhésif conducteur.
7. Encapsulez l’appareil : recouvrez entièrement l’interface feuille PET-plomb avec du ruban adhésif (Figure 2D).
   REMARQUE : L’échantillon complet de l’ATFS est illustré à la figure 2E.

2. Fabrication du robot rampant

1. Dessinez le motif de vue de dessus des pattes avant et arrière du robot rampant à l’aide d’un logiciel de CAO (Figure 3A).
2. Découpez les motifs des jambes à l’aide de la découpeuse laser dans une feuille de polyéthylène téréphtalate (PET) de 100 μm d’épaisseur (découpe : puissance = 20, vitesse = 10, PPI/Hz = 1000, figure 3B).
3. Préparez deux rubans adhésifs double face de 0,1 mm d’épaisseur (11 mm × 3 mm chacun). Fixez-les aux extrémités avant et arrière du STFA (Figure 3C).
4. Pliez les extrémités des membres à environ 45° à l’aide d’une pince à épiler et assurez-vous que les pointes forment un angle constant (figure 3D).
5. Fabriquez un STFA avec des dimensions totales de 35 mm × 11 mm, avec des électrodes de 1 mm de large et un espacement interélectrode de 0,5 mm.
6. Assemblez le robot rampant en collant les pattes avant et arrière sur le STFA (Figure 3E).

3. Fabrication de la pince robotique souple

1. Fabriquer du STFA avec du polydiméthylsiloxane (PDMS) comme substrat :
   1. Ajoutez 20 g de PDMS Sylgard partie A et 0,4 g partie B dans une casserole de mélange et mélangez le silicone avec un mélangeur sous vide (phase 1 : pression = 100 kPa, temps de fonctionnement = 30 s. ; phase 2 : pression = 1 kPa, temps de fonctionnement = 30 s).
   2. À l’aide de la micro-machine d’enrobage automatique (vitesse de fonctionnement = 2, hauteur du racleur = 0,7 mm) pour appliquer le silicone mélangé sur un substrat PET de taille A4 (Figure 4A).
   3. Coupez le masque avec un motif d’électrodes interdigitées (coupe : puissance = 20, vitesse = 10, PPI/Hz = 1000, Figure 4B).
   4. Placez le masque sur du PET recouvert de silicone et utilisez un aérographe (avec une distance de buse de 10 cm, une pression de 15 psi, un angle de 45 à 60 degrés et un dosage de 5 ml) pour pulvériser de la poudre de carbone pour former les électrodes (Figure 4C).
   5. Retirez le masque et vérifiez qu’il n’y a pas de tache de poudre de carbone entre les électrodes adjacentes après le retrait du masque (Figure 4D).
   6. Découpez le STFA et dissolvez la poudre de P(VDF-TrFE-CTFE) dans du diméthylformamide (4,76 % en poids)¹¹. À l’aide de l’aérographe (avec une distance de buse de 10 cm, une pression de 15 psi, un angle de 45 à 60 degrés et un dosage de 10 ml) pour vaporiser la solution mélangée sur l’électrode (figure 4E).
   7. Fixez les fils électriques au STFA (Figure 4F).
   8. Retirez le substrat PET de taille A4
2. Intégrer les STFA dans le bras robotique.
3. Acheminez les connexions électriques.

4. Fabrication de l’interface de retour haptique

1. Fabriquez un STFA avec des dimensions totales de 35 mm × 11 mm, avec des électrodes de 1 mm de large et un espacement interélectrode de 0,5 mm.
2. Concevez les motifs de la couche de couverture et de la couche de substrat pour le STFA (Figure 5A).
3. Concevez le motif de contour externe de la couche de substrat (Figure 5B).
4. Découpe laser des couches de couverture et de substrat après l’étape 1 (découpe : puissance = 20, vitesse = 10, PPI/Hz = 1000, Figure 5C).
5. Découpez au laser un ruban adhésif de 0,8 mm d’épaisseur correspondant au motif de contour de l’étape 4.3 et collez-le à la couche de substrat (découpe : puissance = 20, vitesse = 10, PPI/Hz = 1000, figure 5D).
6. Collez le STFA sur la couche de substrat (Figure 5E).
7. Collez la couche de couverture sur la couche de substrat (Figure 5F).
8. Intégrez STFA aux connecteurs pour assembler l’interface de retour haptique (Figure 5G).
   REMARQUE : La structure et l’échantillon terminé de l’interface de retour haptique sont illustrés à la figure 5H,I.

Résultats

Pour démontrer la méthode proposée, le protocole décrit la fabrication de prototypes de dispositifs et la réalisation de la validation fonctionnelle. Tout d’abord, le processus de fabrication du STFA est détaillé. La figure 2A montre le modèle d’électrode conçu, comprenant des électrodes interdigitées se terminant par des pastilles de connexion pour la fixation du son. La figure 2E montre l’EFCF terminée. Pendant le fonctionnemen...

Discussion

Grâce à cette méthodologie, la fabrication réussie d’AGFS a été réalisée, suivie d’une démonstration de leur potentiel dans trois applications distinctes. La fabrication du STFA implique trois étapes critiques : (1) une conception 2D appropriée : la géométrie du motif des électrodes dicte les dimensions de l’actionneur, tandis que la quantité et les dimensions des électrodes interdigitées déterminent de manière critique les performances d’actionnement ; (2) Interfaçage électrique fiable ...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Ruban adhésif double face de 0,1 mm	3M
Ruban adhésif double face de 0,8 mm	3M	VHB
Imprimante 3D	Bambu	X1-Carbone
Aérographe	Serrer	LP-131 (en anglais)	La distance de la buse est de 10 cm, la pression est de 15 psi, l’angle est de 45 à 60 degrés
AutoCAD	Autocar
adhésif conducteur	Jinshida	K-818
Diméthylformamide	Macklin	NCA 68-12-2
Découpeuse laser	Trotec	Q400	Gravure : puissance = 55, vitesse = 100, impulsions par pouce (PPI)/Hz = 1000 Coupe : puissance = 20, vitesse = 10, PPI/Hz = 1000
Micro machine de revêtement automatique	BEVS	1818H	vitesse de marche = 2, hauteur du racleur = 0,7 mm
P(VDF-TrFE-CTFE)	Piezotech-Arkema
Feuille de polyéthylène téréphtalate (PET) avec aluminium	Pinhao Technology  ;
Bras robotique	Ouais	Am1
Base en élastomère de silicone	Sylgard	184
Ruban adhésif simple face	Deli