הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

תכנון, ייצור והדגמה של מפעילי סרט דק רכים

524 צפיות

⸱

DOI:

10.3791/68951

⸱

29 באוגוסט 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Microelectronics Science and Technology, Sun Yat-sen University

במאמר זה

סיכום

ניתן להשתמש במפעילים רכים בייצור רובוטים רכים ומכשירים לבישים. התאימות שלהם מאפשרת להם לשמור על פונקציונליות גם כאשר הם מעוותים. כאן, מוצג פרוטוקול לייצור מפעילי סרט דק רכים ולהדגמת היישום שלהם ברובוטים זוחלים, תופסים רובוטיים רכים וממשקי משוב הפטי.

תקציר

מפעילים רכים מציגים תכונות מבטיחות לגבי יישומים ברובוטיקה רכה וממשקי אדם-מכונה. במיוחד כאשר מתממשקים ישירות עם עור האדם, מפעילים דקים רכים יכולים להתאים את הצימוד המכני לרקמה אנושית. חקר שיפור הביצועים והחוסן של מפעילים רכים הוא חיוני לפיתוח מכשירים גמישים. הביקוש להתקנים חסונים וגמישים מציב אתגרים לביצועים ולשיטות הייצור של המפעילים. המאמר ממחיש טכניקות לתכנון וייצור של מפעילי סרט דק רכים. מפעילים רכים אלה הם חזקים, ומפגינים פוטנציאל בתרחישים מגוונים. פרוטוקול זה מציג את הפוטנציאל של מפעילי הסרט הדק בשלושה יישומים שונים. ראשית, נוצר רובוט זוחל המונע על ידי מפעילי סרט דק רכים. הרובוט חזק במיוחד. הוא יכול לשרוד פטיש מתמשך ולהישאר פונקציונלי גם עם שלוש מחטי מתכת מנוקבות בגופו. שנית, תפסן רובוטי רך, שיכול לבצע מניפולציות עדינות כמו אחיזה בפיסת נייר מבלי לפגוע בה, יוצר. שלישית, יוצר מכשיר משוב הפטי עם מפעיל סרט דק, שיכול לספק משוב מגע בעת אינטראקציה עם עור האדם. פרוטוקול זה מדגים תהליכי ייצור יעילים עבור מפעילי סרט דק רך חזקים, עם פוטנציאל יישום שונה להנעת רובוטיקה רכה חזקה.

מבוא

בהשוואה למנועים קשיחים, מפעילים גמישים מציגים תאימות ויכולת הסתגלות מעולים1. הם נמצאים בשימוש נרחב בייצור רובוטים וחיישנים רכים. הסוגים הנוכחיים של מפעילים רכים כוללים מפעילים פנאומטיים2, מפעילי דלק כימי3, מפעילים הידראוליים4, מפעילי סגסוגת זיכרון צורה (SMA)5, מפעילי אלסטומר דיאלקטרי6 ומפעילי פולימרים אלקטרואקטיביים7. מטרת מחקר זה היא לתכנן מפעיל גמיש עם תהליך ייצור פשוט וביצועים חזקים. המאפיינים לעיל יתוארו בטקסט הבא.

מפעיל הסרט הדק הרך (STFA) שפותח פועל באמצעות עקרון האלקטרו-אדזיה (EA)8. המבנה ועקרון הפעולה של STFAs מוצגים באיור 1. מבנהו מורכב משכבה פעילה ושכבת מצע המופרדת על ידי מרווח אוויר. כאשר מופעל מתח, אלקטרודות בשכבה הפעילה מייצרות שדות חשמליים, וגורמות למטענים מנוגדים בשכבת המצע. משיכה אלקטרוסטטית בין מטענים אלה גורמת לשכבה הפעילה להתכופף לכיוון המצע. ניתן לשלוט בהפעלת ה-STFA על ידי אפנון התדר והמשרעת של אות המתח.

STFAs יכולים להשיג הפעלה מהירה ולשמור על פונקציונליות תחת הפרעות מכניות. לדוגמה, רובוט זוחל המשתמש ב-STFAs שמר על פונקציונליות תחת מכות פטישמתמשכות 9, ואפילו נוקב בשלוש מחטי מתכת (הודגם בסרטון המשלים 1 ובסרטון המשלים 2). כתופסנים, מפעילים גמישים עולים על עמיתיהם הקשיחים ביכולת הסתגלות10. המשטחים התואמים שלהם תואמים באופן הדוק לגיאומטריות האובייקט, וממזערים את סיכוני הנזק לפריטים שבירים במהלך האחיזה.

היציבות התפעולית של ה-STFAs מתאימה לדרישות של יישומים לבישים. הם מתמרים ישירות אותות חשמליים לגירויים מכניים באמצעות הפעלה מישוש ממוקדת מרחבית. ממשק משוב הפטי שנבנה עם STFAs, מדגים העברת מידע יעילה על ידי העברת אותות רב-עוצמתיים לקצות האצבעות9.

התרומה העיקרית של מחקר זה היא להציע מפעיל יעיל עם תהליך ייצור פשוט. ה-STFA גמיש, חזק ויכול לשמור על ביצועים טובים מבחינת צריכת חשמל. הפוטנציאלים הרב-תכליתיים של STFAs מאומתים באמצעות שלושה יישומים: רובוטים זוחלים, תופסים רובוטיים רכים וממשקי משוב הפטי. הרובוטים הזוחלים מדגימים את יכולות הנעת התנועה של ה-STFA. ממשקי המשוב ההפטי מדגישים את שימושיות האינטראקציה בין אדם למכונה. יישומים אלה מאשרים ביחד את הפוטנציאל של STFAs ברובוטיקה רכה וטכנולוגיות לבישות

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

פרוטוקול זה מתאר את שלבי הייצור של רובוטים זוחלים מבוססי STFA ו-STFA, תופסים רובוטיים רכים וממשקי משוב הפטי. איור 2, איור 3, איור 4 ואיור 5 מציגים את תהליך ייצור המכשיר שלב אחר שלב. הריאגנטים והציוד המשמשים במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.

1. ייצור מפעיל סרט דק רך

  1. תכנן את תבנית האלקטרודה המשולבת (איור 2A).
  2. הגדר פרמטרי חריטה בלייזר (חיתוך: הספק = 20, מהירות = 10, PPI/הרץ = 1000).
  3. חותכים חתיכת נייר כסף פוליאתילן טרפתלט (PET) עם ציפוי אלומיניום (עובי 100 מיקרומטר), במידות של 30 ס"מ × 20 ס"מ.
  4. מקם את רדיד ה-PET, צד האלומיניום כלפי מעלה, לתוך סביבת העבודה של חותך הלייזר.
  5. בצע דפוס לייזר של רדיד ה-PET (חריטה: הספק = 55, מהירות = 100, PPI/הרץ = 1000, חיתוך: הספק = 20, מהירות = 10, PPI/הרץ = 1000, איור 2B ואיור 2C).
  6. חבר כבלי חשמל: הנח שני חוטים ברפידות המסוף של רדיד ה-PET המעוצב. חיבורים מאובטחים עם דבק מוליך.
  7. עטוף את המכשיר: כסה במלואו את ממשק עופרת נייר הכסף PET עם סרט דבק (איור 2D).
    הערה: המדגם המלא של ה-STFA מוצג באיור 2E.

2. ייצור הרובוט הזוחל

  1. צייר את תבנית התצוגה העליונה של הרגל הקדמית והאחורית עבור הרובוט הזוחל באמצעות תוכנת CAD (איור 3A).
  2. חותכים את דפוסי הרגליים באמצעות חותך הלייזר מנייר כסף פוליאתילן טרפתלט (PET) בעובי 100 מיקרומטר (חיתוך: הספק = 20, מהירות = 10, PPI/הרץ = 1000, איור 3B).
  3. הכן שני סרטי דבק דו צדדיים בעובי 0.1 מ"מ (11 מ"מ × 3 מ"מ כל אחד). חבר אותם לקצוות הקדמיים והאחוריים של ה-STFA (איור 3C).
  4. כופפו את קצות הגפיים בכ-45 מעלות בעזרת פינצטה וודאו שהקצות יוצרים זווית עקבית (איור 3D).
  5. צור STFA עם מידות כוללות של 35 מ"מ × 11 מ"מ, הכולל אלקטרודות ברוחב 1 מ"מ ומרווח בין אלקטרודות של 0.5 מ"מ.
  6. הרכיבו את הרובוט הזוחל על ידי הצמדת הרגליים הקדמיות והאחוריות ל-STFA (איור 3E).

3. ייצור האחיזה הרובוטית הרכה

  1. לייצר STFA עם פולידימתילסילוקסן (PDMS) כמצע:
    1. הוסף 20 גרם של PDMS Sylgard חלק A ו-0.4 גרם חלק B לסיר ערבוב וערבב את הסיליקון עם מערבל ואקום (שלב 1: לחץ = 100 kPa, זמן פעולה = 30 שניות; שלב 2: לחץ = 1 kPa, זמן פעולה = 30 שניות).
    2. השתמש במכונת הציפוי המיקרו-אוטומטית (מהירות ריצה = 2, גובה מגרד = 0.7 מ"מ) כדי למרוח את הסיליקון המעורב על מצע PET בגודל A4 (איור 4A).
    3. חותכים את המסכה בתבנית אלקטרודה בין-ספרתית (חיתוך: הספק = 20, מהירות = 10, PPI/Hz = 1000, איור 4B).
    4. הנח את המסכה על PET מצופה סיליקון והשתמש במברשת אוויר (עם מרחק זרבובית של 10 ס"מ, לחץ של 15 psi, זווית של 45-60 מעלות ומינון של 5 מ"ל) כדי לרסס אבקת פחמן ליצירת האלקטרודות (איור 4C).
    5. הסר את המסכה וודא שאין מריחת אבקת פחמן בין אלקטרודות סמוכות לאחר הסרת המסכה (איור 4D).
    6. יש לחתוך את ה-STFA ולהמיס את אבקת P(VDF-TrFE-CTFE) בדימתיל פורממיד (4.76% משקל)11. השתמש במברשת האוויר (עם מרחק זרבובית של 10 ס"מ, לחץ של 15 psi, זווית של 45-60 מעלות ומינון של 10 מ"ל) כדי לרסס את התמיסה המעורבת על האלקטרודה (איור 4E).
    7. חבר כבלי חשמל ל-STFA (איור 4F).
    8. הסר את מצע ה-PET בגודל A4
  2. שלב את ה-STFAs בזרוע הרובוטית.
  3. נתב את חיבורי החשמל.

4. ייצור ממשק המשוב ההפטי

  1. צור STFA עם מידות כוללות של 35 מ"מ × 11 מ"מ, הכולל אלקטרודות ברוחב 1 מ"מ ומרווח בין אלקטרודות של 0.5 מ"מ.
  2. תכנן את שכבת הכיסוי ואת תבניות שכבת המצע עבור ה-STFA (איור 5A).
  3. תכנן את תבנית קווי המתאר החיצונית עבור שכבת המצע (איור 5B).
  4. חיתוך לייזר של שכבות הכיסוי והמצע לאחר שלב 1 (חיתוך: הספק = 20, מהירות = 10, PPI/Hz = 1000, איור 5C).
  5. חותכים בלייזר סרט דבק בעובי 0.8 מ"מ התואם את תבנית קווי המתאר משלב 4.3 ומצמידים אותו לשכבת המצע (חיתוך: הספק = 20, מהירות = 10, PPI/Hz = 1000, איור 5D).
  6. הדבק את ה-STFA על שכבת המצע (איור 5E).
  7. הדבק את שכבת הכיסוי על שכבת המצע (איור 5F).
  8. שלב STFA עם מחברים כדי להרכיב את ממשק המשוב ההפטי (איור 5G).
    הערה: המבנה והמדגם שהושלם של ממשק המשוב ההפטי מוצגים באיור 5H,I.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

כדי להדגים את השיטה המוצעת, הפרוטוקול מתאר את הייצור של התקני אב-טיפוס ואת הביצועים של אימות פונקציונלי. ראשית, תהליך הייצור של ה-STFA מפורט. איור 2A מציג את דפוס האלקטרודה המתוכנן, המורכב מאלקטרודות בין-ספרתיות המסתיימות ברפידות חיבור לחיבור עופרת. איור 2E מציג את ה-STFA שהושלם. במהלך הפעולה, הפעלת מתח על פני אלקטרודות בין-דיגיטליות סמוכות יוצרת שדה חשמלי הגורם למטענים מנוגדים על משטח המגע. משיכה אלקטרוסטטית בין מטענים אלה יוצרת...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

באמצעות מתודולוגיה זו, הושג ייצור מוצלח של STFAs, ואחריו הדגמה של הפוטנציאל שלהם בשלושה יישומים נפרדים. ייצור STFA כולל שלושה שלבים קריטיים: (1) עיצוב דו-ממדי מתאים: גיאומטריית דפוס האלקטרודה מכתיבה את מידות המפעיל, בעוד שהכמות והמידות של אלקטרודות בין-דיגיטליות קובעות באופן קריטי את ביצועי ההפעלה; (2) ממשק חשמלי אמין: חיבור נכון של שכבת אלקטרודות האלומיניום למוליכים חיצוניים מושג באמצעות דבק מוליך; (3) אנקפסולציה חזקה: כיסוי מלא של משטח האלקטרודה עם סרט דבק או חומרים דיאלקטריים אחרים יכ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תודות

עבודה זו מומנה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מענק מס' 52175048).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
0.1 מ"מ סרט דו צדדי3 דקות
0.8 מ"מ סרט דו צדדי3 דקותVHB
מדפסת תלת מימדבמבוX1-פחמן
מברשת אווירכיווץLP-131מרחק הזרבובית הוא 10 ס"מ, הלחץ הוא 15 psi, הזווית היא 45 עד 60 מעלות
אוטוקאדאוטודסק
דבק מוליךג'ינשידהק-818
דימתיל פורממידמקליןCAS 68-12-2
חותך לייזרטרוטקשאלה 400חריטה: הספק = 55, מהירות = 100, פולסים לאינץ '(PPI) / הרץ = 1000
חיתוך: הספק = 20, מהירות = 10, PPI / הרץ = 1000
מכונת ציפוי מיקרו אוטומטיתרכבי BEV1818חמהירות ריצה = 2, גובה מגרד = 0.7 מ"מ
P(VDF-TrFE-CTFE)פייזוטק-ארקמה
רדיד פוליאתילן טרפתלט (PET) עם אלומיניוםPinhao טכנולוגיה 
זרוע רובוטיתיאהבוטAm1
בסיס אלסטומר סיליקוןסילגארד184
סרט חד צדדימעדן

מקורות

  1. Majidi, C., et al. Soft robotics: A perspective -Current trends and prospects for the future. Soft Robot. 1 (1), 5-11 (2014).
  2. Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521 (7553), 467-475 (2015).
  3. Aubin, C. A., et al. soft combustion actuators for insect-scale robots. Science. 381 (6663), 1212-1217 (2023).
  4. Katzschmann, R. K., Delpreto, J., MacCurdy, R., Rus, D. Exploration of underwater life with an acoustically controlled soft robotic fish. Sci Robot. 3 (16), eaar3449(2018).
  5. Mohd Jani, J., Leary, M., Subic, A., Gibson, M. A. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities. Mater Des. 56, 1078-1113 (2014).
  6. Pelrine, R., Kornbluh, R., Pei, Q., Joseph, J. High-speed electrically actuated elastomers with strain greater than 100%. Science. 287 (5454), 836-839 (2000).
  7. Bar-Cohen, Y. Electroactive polymer (EAP) actuators as artificial muscles: reality, potential, and challenges. SPIE Int Soc Opt Eng. 5385, 1-12 (2004).
  8. Johnsen, A., Rahbek, K. A physical phenomenon and its applications to telegraphy, telephony, etc. J Inst Electr Eng. 61 (320), 713-725 (1923).
  9. Pan, F., Chen, L., Liu, F., Ji, X. Electric field induced mechanical flapping motors enabling soft robotic and wearable applications. Sens Actuators A Phys. 376, 115662(2024).
  10. Shintake, J., et al. Versatile soft grippers with intrinsic electroadhesion based on multifunctional polymer actuators. Adv Mater. 28 (2), 231-238 (2016).
  11. Hinchet, R. J., Shea, H. Glove and sleeve format variable friction electrostatic clutches for kinesthetic haptics. Adv Intell Syst. 4 (12), 2200174(2022).
  12. Igreja, R., Dias, C. J. Analytical evaluation of the interdigital electrodes capacitance for a multi-layered structure. Sens Actuators A Phys. 112 (2-3), 291-301 (2004).
  13. Rivadeneyra, A., et al. A novel electrode structure compared with interdigitated electrodes as capacitive sensor. Sens Actuators B Chem. 204, 552-560 (2014).
  14. Mamishev, A. V., Sundara-Rajan, K., Yang, F., Du, Y., Zahn, M. Interdigital sensors and transducers. Proc IEEE. 92 (5), 808-845 (2004).
  15. Rahman, M. T., Rahimi, A., Gupta, S., Panat, R. Microscale additive manufacturing and modeling of interdigitated capacitive touch sensors. Sens Actuators A Phys. 248, 94-103 (2016).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

גלה מאמרים נוספים

רובוטיקה רכהייצור אקטואטוריםהתקנים גמישיםממשקים אדם-מכונהתופסן רובוטיהתקן משוב הפטיצימוד מכניאקטואטורים עמידיםתכנון אקטואטורים בשכבה דקה

מאמר זה פורסם

הסרטון יגיע בקרוב

צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.