Progettazione, fabbricazione e dimostrazione di attuatori a film sottile morbido

Sommario

Gli attuatori morbidi possono essere utilizzati nella fabbricazione di robot morbidi e dispositivi indossabili. La loro conformità consente loro di mantenere la funzionalità anche se deformati. Qui viene presentato un protocollo per fabbricare attuatori a film sottile morbido e per dimostrare la loro applicazione in robot striscianti, pinze robotiche morbide e interfacce di feedback tattile.

Abstract

Gli attuatori morbidi presentano proprietà promettenti per quanto riguarda le applicazioni nella robotica morbida e nelle interfacce uomo-macchina. Soprattutto quando si interfacciano direttamente con la pelle umana, gli attuatori morbidi e sottili possono abbinare l'accoppiamento meccanico con il tessuto umano. L'esplorazione del miglioramento delle prestazioni e della robustezza degli attuatori morbidi è fondamentale per lo sviluppo di dispositivi flessibili. La richiesta di dispositivi robusti e flessibili pone sfide alle prestazioni e ai metodi di produzione degli attuatori. L'articolo illustra le tecniche per la progettazione e la fabbricazione di attuatori a film sottile morbido. Questi attuatori morbidi sono robusti e dimostrano il potenziale in scenari versatili. Questo protocollo mostra il potenziale degli attuatori a film sottile in tre diverse applicazioni. In primo luogo, è stato fabbricato un robot strisciante azionato da attuatori a film sottile morbido. Il robot è estremamente robusto. Può sopravvivere a continui martellate e rimanere funzionale anche con tre aghi metallici perforati nel suo corpo. In secondo luogo, è stata fabbricata una pinza robotica morbida, in grado di eseguire manipolazioni fini come afferrare un pezzo di carta senza danneggiarlo. In terzo luogo, è stato fabbricato un dispositivo di feedback tattile con un attuatore a film sottile, in grado di fornire un feedback tattile quando si interagisce con la pelle umana. Questo protocollo dimostra processi di fabbricazione efficienti per robusti attuatori a film sottile morbido, con vari potenziali applicativi per l'azionamento di una robusta robotica morbida.

Introduzione

Rispetto ai motori rigidi, gli attuatori flessibili presentano una conformità e un'adattabilità superiori¹. Sono ampiamente utilizzati nella produzione di robot morbidi e sensori. Gli attuali tipi di attuatori morbidi includono attuatori pneumatici², attuatori per combustibili chimici³, attuatori idraulici⁴, attuatori in lega a memoria di forma (SMA)⁵, attuatori in elastomero dielettrico⁶ e attuatori in polimeri elettroattivi⁷. Lo scopo di questa ricerca è quello di progettare un attuatore flessibile con un processo di produzione semplice e prestazioni robuste. Le caratteristiche di cui sopra saranno descritte nel testo seguente.

L'attuatore a film sottile morbido (STFA) sviluppato funziona secondo il principio di elettroadesione (EA)⁸. La struttura e il principio di funzionamento degli STFA sono mostrati nella Figura 1. La sua struttura comprende uno strato attivo e uno strato di substrato separati da un'intercapedine d'aria. Quando viene applicata una tensione, gli elettrodi nello strato attivo generano campi elettrici, inducendo cariche opposte nello strato di substrato. L'attrazione elettrostatica tra queste cariche fa sì che lo strato attivo si pieghi verso il substrato. L'azionamento dell'STFA può essere controllato modulando la frequenza e l'ampiezza del segnale di tensione.

Gli STFA possono raggiungere un'attuazione rapida e mantenere la funzionalità in presenza di disturbi meccanici. Ad esempio, un robot strisciante che utilizzava STFA manteneva la funzionalità sotto continui colpi di martello⁹ e veniva persino perforato con tre aghi metallici (dimostrato nel Video supplementare 1 e nel Video supplementare 2). Come pinze, gli attuatori flessibili superano le controparti rigide in termini di adattabilità¹⁰. Le loro superfici conformi si adattano perfettamente alle geometrie degli oggetti, riducendo al minimo i rischi di danni agli oggetti fragili durante la presa.

La stabilità operativa degli STFA si adatta ai requisiti delle applicazioni indossabili. Trasducono direttamente i segnali elettrici in stimoli meccanici attraverso un'attuazione tattile spazialmente mirata. Un'interfaccia di feedback tattile costruita con STFA dimostra un efficace trasferimento di informazioni fornendo segnali multi-intensità alla punta delle dita⁹.

Il contributo principale di questo studio è quello di proporre un attuatore efficiente con un semplice processo di fabbricazione. L'STFA è flessibile, robusto e può mantenere buone prestazioni in termini di consumo energetico. Le potenzialità multifunzionali degli STFA sono convalidate attraverso tre applicazioni: robot striscianti, pinze robotiche morbide e interfacce di feedback tattile. I robot striscianti dimostrano le capacità di guida del movimento degli STFA. Le interfacce di feedback tattile evidenziano la loro utilità di interazione uomo-macchina. Queste implementazioni confermano collettivamente il potenziale degli STFA nella robotica morbida e nelle tecnologie indossabili.

Protocollo

Questo protocollo descrive le fasi di fabbricazione di STFA e robot striscianti basati su STFA, pinze robotiche morbide e interfacce di feedback tattile. Le Figure 2, 3, 4 e 5 mostrano il processo di fabbricazione dei dispositivi passo dopo passo. I reagenti e le attrezzature utilizzate in questo studio sono elencati nella Tabella dei materiali.

1. Fabbricazione di un attuatore a film sottile morbido

1. Progettare il modello di elettrodi interdigitato (Figura 2A).
2. Configura i parametri di incisione laser (taglio: potenza = 20, velocità = 10, PPI/Hz = 1000).
3. Tagliare un pezzo di foglio di polietilene tereftalato (PET) con rivestimento in alluminio (100 μm di spessore), con dimensioni di 30 cm × 20 cm.
4. Posizionare la lamina in PET, con il lato di alluminio rivolto verso l'alto, nell'area di lavoro della taglierina laser.
5. Eseguire la modellazione laser della lamina in PET (incisione: potenza = 55, velocità = 100, PPI/Hz = 1000, taglio: potenza = 20, velocità = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 2B e Figura 2C).
6. Collegare i cavi elettrici: posizionare due fili sulle morsettiere della lamina in PET modellata. Fissare i collegamenti con adesivo conduttivo.
7. Incapsulare il dispositivo: coprire completamente l'interfaccia lamina-piombo in PET con nastro adesivo (Figura 2D).
   NOTA: Il campione completo dell'STFA è mostrato nella Figura 2E.

2. Fabbricazione del robot strisciante

1. Disegna il modello di vista dall'alto della zampa anteriore e posteriore per il robot strisciante utilizzando il software CAD (Figura 3A).
2. Taglia i modelli delle gambe utilizzando la taglierina laser da un foglio di polietilene tereftalato (PET) di 100 μm di spessore (taglio: potenza = 20, velocità = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 3B).
3. Preparare due nastri biadesivi di 0,1 mm di spessore (11 mm × 3 mm ciascuno). Fissarli alle estremità anteriore e posteriore dell'STFA (Figura 3C).
4. Piegare le punte degli arti a circa 45° con una pinzetta e assicurarsi che le punte formino un angolo uniforme (Figura 3D).
5. Fabbricare un STFA con dimensioni complessive di 35 mm × 11 mm, con elettrodi larghi 1 mm e spaziatura tra gli interelettrodi di 0,5 mm.
6. Assemblare il robot strisciante facendo aderire le zampe anteriori e posteriori all'STFA (Figura 3E).

3. Fabbricazione della pinza robotica morbida

1. Fabbricare STFA con polidimetilsilossano (PDMS) come substrato:
   1. Aggiungere 20 g di PDMS Sylgard parte A e 0,4 g parte B in un recipiente di miscelazione e mescolare il silicone con un miscelatore sottovuoto (fase 1: pressione = 100 kPa, tempo di funzionamento = 30 s.; fase 2: pressione = 1 kPa, tempo di funzionamento = 30 s).
   2. Utilizzare la macchina di rivestimento microautomatica (velocità di funzionamento = 2, altezza raschietto = 0,7 mm) per applicare il silicone misto su un substrato PET di formato A4 (Figura 4A).
   3. Tagliare la maschera con un modello di elettrodi interdigitato (taglio: potenza = 20, velocità = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 4B).
   4. Posizionare la maschera su PET rivestito di silicone e utilizzare un aerografo (con distanza dell'ugello di 10 cm, pressione di 15 psi, angolo di 45-60 gradi e dosaggio di 5 ml) per spruzzare polvere di carbone per formare gli elettrodi (Figura 4C).
   5. Rimuovere la maschera e verificare che non vi siano macchie di polvere di carbone tra gli elettrodi adiacenti dopo la rimozione della maschera (Figura 4D).
   6. Eliminare l'STFA e sciogliere la polvere di P(VDF-TrFE-CTFE) in dimetilformammide (4,76% in peso)¹¹. Utilizzare l'aerografo (con distanza dell'ugello di 10 cm, pressione di 15 psi, angolo di 45-60 gradi e dosaggio di 10 ml) per spruzzare la soluzione miscelata sull'elettrodo (Figura 4E).
   7. Collegare i cavi elettrici all'STFA (Figura 4F).
   8. Rimuovere il substrato in PET in formato A4
2. Integrare gli STFA nel braccio robotico.
3. Instradare i collegamenti elettrici.

4. Fabbricazione dell'interfaccia di feedback tattile

1. Fabbricare un STFA con dimensioni complessive di 35 mm × 11 mm, con elettrodi larghi 1 mm e spaziatura tra gli interelettrodi di 0,5 mm.
2. Progettare i modelli dello strato di copertura e dello strato di substrato per l'STFA (Figura 5A).
3. Progettare il modello di contorno esterno per lo strato di substrato (Figura 5B).
4. Taglio laser degli strati di copertura e substrato dopo il passaggio 1 (taglio: potenza = 20, velocità = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 5C).
5. Tagliare al laser un nastro adesivo di 0,8 mm di spessore che corrisponda al modello di contorno del passaggio 4.3 e incollarlo allo strato di substrato (taglio: potenza = 20, velocità = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 5D).
6. Incollare l'STFA sullo strato di substrato (Figura 5E).
7. Incollare lo strato di copertura sullo strato di substrato (Figura 5F).
8. Integrare STFA con i connettori per assemblare l'interfaccia di feedback tattile (Figura 5G).
   NOTA: La struttura e il campione completo dell'interfaccia di feedback tattile sono mostrati nella Figura 5H, I.

Risultati

Per dimostrare il metodo proposto, il protocollo delinea la fabbricazione di prototipi di dispositivi e le prestazioni della convalida funzionale. Innanzitutto, viene descritto in dettaglio il processo di produzione dell'STFA. La Figura 2A mostra il modello di elettrodo progettato, composto da elettrodi interdigitati che terminano in piazzole di connessione per il collegamento dell'elettrocatetere. La Figura 2E mostra l'STFA comp...

Discussione

Utilizzando questa metodologia, è stata raggiunta con successo la fabbricazione di STFA, seguita da una dimostrazione del loro potenziale in tre applicazioni distinte. La fabbricazione STFA prevede tre passaggi critici: (1) progettazione 2D appropriata: la geometria del modello dell'elettrodo determina le dimensioni dell'attuatore, mentre la quantità e le dimensioni degli elettrodi interdigitati determinano in modo critico le prestazioni di attuazione; (2) interfaccia elettrica affidabil...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Nastro biadesivo da 0,1 mm	3M
Nastro biadesivo da 0,8 mm	3M	VHB
Stampante 3D	Bambu	X1-Carbonio
Aerografo	Stringere	LP-131	La distanza dell'ugello è di 10 cm, la pressione è di 15 psi, l'angolo è compreso tra 45 e 60 gradi
Autoctoni	Autodesk.
adesivo conduttivo	Jinshida	K-818
Dimetilformammide	Macklin	CAS 68-12-2
Taglio laser	Trotec	Domanda 400	Incisione: potenza = 55, velocità = 100, impulsi per pollice (PPI)/Hz = 1000 Taglio: potenza = 20, velocità = 10, PPI/Hz = 1000
Micro spalmatrice automatica	BEV	1818H	velocità di marcia = 2, altezza raschiatore = 0,7 mm
P(VDF-TrFE-CTFE)	Piezotech-Arkema
Foglio di polietilene tereftalato (PET) con alluminio	Tecnologia Pinhao
Braccio robotico	Yeahbot	Am1
Base in elastomero siliconico	Sylgard	184
Nastro monoadesivo	Deli