Fabbricazione di attuatori morbidi ionici ad attività in carbonio
25 aprile 2020
Questo articolo descrive un processo di produzione semplice e veloce di materiali compositi elettromeccanici attivi ionici per attuatori in applicazioni di robotica biomedica, biomimetica e morbida. I passaggi chiave di fabbricazione, la loro importanza per le proprietà finali degli attuatori e alcune delle principali tecniche di caratterizzazione sono descritti in dettaglio.
Questo protocollo descrive la fabbricazione di materiale elettromeccanicamente attivo a base di carbonio per applicazioni di robotica biomedica e morbida. Il vantaggio principale di questo metodo è che consente la fabbricazione riproducibile di attuatori ionici anche in grandi quantità. Guardare questo video dovrebbe darti una buona comprensione su come fabbricare e utilizzare attuatori ionici.
Il protocollo è diviso in cinque fasi. In primo luogo, viene preparata una membrana conduttore di ioni. Viene quindi coperto con elettrodi a base di carbonio a cui sono attaccati i collettori di corrente d'oro.
Dopo aver tagliato il campione in forma, il materiale è pronto per l'uso. Per iniziare, scegli tra una membrana tri-PTFE, la stessa membrana imbevuta di elettrolita o una membrana rinforzata tessile. Ogni opzione si traduce in un attuatore funzionale.
Vedi il testo per assistenza nella selezione. Il materiale viene preparato utilizzando un telaio. Prendi un foglio PTFE ad alta porosità e posizionalo sul telaio.
Schernire e fissare il foglio sul telaio. Fare attenzione a non danneggiare la membrana secca. Una volta che la membrana è pronta, passare alla fase di fabbricazione dell'elettrodo.
Prendi una grande piastra di Petri e posiziona un foglio PTFE ad alta porosità all'interno. Aggiungere un eccesso di liquido ionico. Assicurarsi che l'intero foglio sia coperto.
Una volta che la membrana è sufficientemente imbevuta, rimuovere l'eccesso usando una pipetta. Posizionare con cura la membrana tra le carte filtranti per rimuovere il liquido ionico rimanente che non è stato assorbito dal foglio PTFE. Ripetere questo processo fino a quando il foglio non è semitrasparente ma non bagnato.
Schernire e fissare la membrana imbevuta su un telaio di plastica. Assicurarsi di evitare rughe e pieghe. Ora che la membrana è pronta, salta avanti fino alla fase di fabbricazione dell'elettrodo.
Prendi un tessuto con fibre inerti fini e fissalo su un telaio. Assicurati di snoscherarlo bene. Tagliare qualsiasi tessuto in eccesso usando le forbici.
Rimuovere con cura eventuali fibre sciolte. Mentre si lavora sotto la cappa dei fumi, coprire il tessuto con un sottile strato di soluzione a membrana. Vedi il testo per la ricetta esatta.
Lasciare asciugare completamente il primo strato. In primo luogo, utilizzare la pistola termica e successivamente la pistola termica insieme a una configurazione dedicata per accelerare il processo di asciugatura. Evitare di utilizzare una velocità di rotazione troppo elevata su una membrana completamente bagnata in quanto potrebbe causare la perdita di materiale attivo.
Vedi il testo per ulteriori dettagli. Ispezionare la membrana contro la retroilluminazione alla ricerca di fori stenopeico. Continuare ad applicare strati di rivestimento fino a ottenere una membrana priva di difetti.
Aggiungere strati di membrana successivi con estrema cautela. Applicare strati sottili il più possibile e non andare mai su superfici già bagnate due volte. Applicare i livelli su entrambi i lati.
In questo modo, il rinforzo rimarrà al centro del composito. Lasciare asciugare uno strato prima di aggiungerne un altro. Una volta ottenuta una membrana priva di difetti, controllare il suo spessore utilizzando uno spessore.
Attualmente, è di 54 micrometri. In un pallone sigillato, sciogliere il polimero nel solvente mescolando durante la notte a 70 gradi Celsius utilizzando un agitatore magnetico e una piastra calda a temperatura controllata. Vedi il testo per la ricetta esatta.
In un altro pallone pesare la polvere di carbonio, aggiungere liquido ionico, solvente e una barra di agitazione magnetica. Sigillare il pallone e mescolare. Una volta che la sospensione di carbonio si è omogeneizzata e il polimero si è sciolto, fissare o rimuovere il tallone magnetico e versare la soluzione polimerica nella sospensione di carbonio.
Utilizzare 10 millilitri di solvente per rimuovere i residui polimerici dalle pareti del pallone e aggiungerlo alla sospensione del carbonio. Omogeneizzare la sospensione utilizzando una sonda ad ultrasuoni. Successivamente, la sospensione è pronta per l'uso o lo stoccaggio.
Riempire il serbatoio di una pistola a spruzzo o di una spazzola ad aria con acetone. Testare prima il flusso su un pezzo di carta. Assicurarsi che la spazzola ad aria sia pulita e priva di blocchi.
Durante la conservazione, la sospensione può trasformarsi in un gel. Mescolare in un recipiente chiuso a 70 gradi Celsius per ottenere un liquido. Riempire il serbatoio della spazzola ad aria con la sospensione dell'elettrodo.
Testare prima il flusso delle sospensioni su un pezzo di carta. Prendi la membrana preparata. Iniziare a spostare la pistola a spruzzo prima di iniziare a spruzzare.
Tieni la pistola in movimento a colpi dritti. Lasciare asciugare un lato prima di iniziare a spruzzare sull'altro. Spruzzare fino a raggiungere lo spessore desiderato.
Rimuovere con cura il materiale dal telaio. Se è stata utilizzata la membrana rinforzata tessile, allineare il taglio con le fibre. Tagliare un pezzo di quattro per tre centimetri usando un righello metallico e un bisturi.
Questa dimensione di taglio è più conveniente per lotti di piccole e medie dimensioni. Tuttavia, non è fondamentale per ottenere attuatori funzionanti. Prendi un tubo o un tubo di metallo e fissa il pezzo tagliato su di esso.
Provare a sovrapporre solo circa un millimetro del materiale dell'attuatore con nastro adesivo. Prendi un foglio d'oro fine sulla carta di trasferimento e taglialo in pezzi di quattro per quattro centimetri. Metti uno di loro su una carta velina.
Spruzzare il composito con un sottile strato di colla. Vedi il testo per la ricetta esatta. Conservare rapidamente il pennello ad aria in posizione verticale.
Arrotolare il tubo sopra la foglia d'oro mentre la colla è ancora bagnata. Non è necessaria alcuna pressione eccessiva per la laminazione. Rimuovere il trasferimento e rotolare di nuovo sulla carta velina per assicurarsi che l'oro sia correttamente attaccato.
Posizionare il materiale ad asciugare. Una volta asciutto, rimuovere con cura il nastro per rilasciare il materiale dal tubo. Pulire il tubo con acetone.
Fissare il materiale sul tubo, lato rivestito in oro rivolto verso il tubo. Quindi ripetere i passaggi per attaccare il raccoglitore corrente anche dall'altra parte. Si noti i lati coperti di nastro adesivo.
Ritaglia rettangoli o forme più complesse. Un campione di quattro per 20 millimetri è buono per la caratterizzazione. Allineare la lunghezza del campione con una direzione curva.
La pinza morbida deve essere termoformata per prima. Posizionare l'attuatore in uno stampo a flaconcino di vetro per termoformare la pinza in forma. Una volta che l'attuatore si trova all'interno dello stampo, posizionarli entrambi in un forno o utilizzare la luce infrarossa.
La pinza è posizionata tra i contatti in oro, il lato oro rivolto verso il materiale attivo. I passaggi di tensione vengono applicati per gestire il carico utile. Apertura della pinza.
Chiusura della pinza. Sollevando il carico utile a mano. Testare l'impugnatura.
E infine, rilasciando il carico utile. Le clip Kelvin vengono utilizzate per la caratterizzazione. Posizionare l'attuatore tra i morsetti e monitorare l'angolo alfa utilizzando una videocamera.
In caso di segnale triangolare, la risposta di corrente di un attuatore funzionale è capacitiva. Mentre la risposta da un campione difettoso segue da vicino la Legge di Ohm ed è resistiva. Utilizzare la microscopia elettronica a scansione per descrivere la struttura dell'attuatore.
I campioni vengono congelati fratturati utilizzando azoto liquido per ottenere sezioni trasversali pulite. Attenzione:Non chiudere mai il coperchio di un contenitore di azoto liquido. L'accumulo di pressione potrebbe causare gravi lesioni.
In primo luogo, congelare l'attuatore per alcuni minuti in azoto liquido. Quindi utilizzare due set di pinzette fresche per rompere il campione congelato. Gli attuatori rinforzati con tessuto potrebbero non rompersi allo stato congelato.
Congelare un bisturi insieme all'attuatore e tritare il campione congelato in due pezzi. Questa è una sezione trasversale di un attuatore PTFE che mostra due elettrodi di carbonio, separati da una membrana PTFE, che formano l'attuatore. Il punto chiave di questo metodo è l'inclusione di un rinforzo inerte come il PTFE nello strato di membrana.
Ciò semplifica significativamente il processo di produzione e consente di produrre in modo riproducibile i materiali attivi su larga scala. Il nostro metodo mostra una strada promettente verso la fabbricazione su scala industriale di attuatori ionici.
Panoramica
Questo articolo descrive un processo di produzione rapido e semplice di materiali compositi ionici elettromeccanicamente attivi per attuatori in applicazioni biomediche e nella robotica morbida. Il protocollo delinea in dettaglio i passaggi chiave di fabbricazione e le tecniche di caratterizzazione.
Componenti chiave dello studio
Area di scienza
- Ingegneria biomedica
- Robotica morbida
- Scienza dei materiali
Sfondo
- Gli attuatori ionici sono essenziali in varie applicazioni, inclusa la robotica.
- Metodi di fabbricazione riproducibili sono cruciali per la produzione su larga scala.
- Comprendere le proprietà dei materiali compositi migliora le prestazioni degli attuatori.
- Le tecniche di caratterizzazione sono vitali per valutare la qualità del materiale.
Obiettivo dello studio
- Fornire un protocollo dettagliato per la fabbricazione di attuatori ionici.
- Garantire la riproducibilità nel processo di produzione.
- Evidenziare l'importanza delle proprietà dei materiali nella funzionalità degli attuatori.
Metodi utilizzati
- Preparazione di membrane ioni-conduttive.
- Fabbricazione di elettrodi a base di carbonio.
- Applicazione di collettori di corrente in oro.
- Caratterizzazione dei materiali finali degli attuatori.
Risultati principali
- Il protocollo consente la creazione di attuatori ionici funzionali.
- Moltipli opzioni di membrana producono attuatori efficaci.
- Le tecniche di stratificazione assicurano membrane senza difetti.
- La caratterizzazione conferma la qualità dei materiali prodotti.
Conclusioni
- Questo metodo facilita la produzione scalabile di attuatori ionici.
- L'attenzione ai dettagli nella fabbricazione influisce sulle prestazioni degli attuatori.
- I lavori futuri potrebbero esplorare ulteriori applicazioni nella robotica.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
Reproducible fabrication of ionic actuators is critical for translating soft robotics and biomimetic systems from laboratory to industrial scale. This protocol enables scalable production of electromechanically active materials with consistent performance, supporting predictive confidence in early-stage target validation for biomedical devices. By standardizing membrane-electrode integration and current collector attachment, the method reduces mechanistic ambiguity in actuator design and facilitates go/no-go decisions in preclinical development pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of electromechanical transduction mechanisms in biomimetic systems for target pathway clarification.
- Operational Value: Provides reproducible actuator prototypes for functional screening of ionic responses in disease-relevant models.
- Predictive Value: Supports lead identification by correlating material composition with actuation efficiency and payload handling capacity.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable displacement and force outputs for dose-response characterization of ionic stimuli.
- Operational Value: Ensures batch-to-batch consistency in actuator thickness and electrode coverage for reliable assay standardization.
- Scalability Value: Uses spray-based deposition and frame-assisted lamination compatible with multi-well plate formats and automated liquid handling.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Enables disease-relevant soft gripper thermoforming for ex vivo tissue handling and payload transport simulations.
- Operational Value: Gold current collector integration allows standardized electrical interfacing with potentiostats and signal acquisition systems.
- Translational Continuity: Capacitive vs. resistive response discrimination via Kelvin clip characterization provides a go/no-go criterion for functional material selection prior to in vivo validation.
Pipeline & Workflow Integration
The method positions ionic actuator fabrication as a foundational capability in the discovery continuum, linking materials synthesis to functional validation in soft robotic systems used for biomedical modeling.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of electroactive polymer behavior in physiological mimetic environments through controlled voltage stimulation.
- Screening: Delivers assay-ready actuators with defect-free membranes and uniform current distribution for high-fidelity compound or stimulus screening.
- Analytics: Enables quantitative measurement of angular displacement (alpha) and blocking force as key performance indicators for material down-selection.
- Translational Research: Facilitates continuity from material fabrication to preclinical-like functional testing via soft gripper actuation and payload lifting demonstrations.
- Enterprise Reuse: Frame-based membrane preparation and spray-coated electrode application create a platform technology adaptable across carbon-based, ionic liquid, and polymer variants.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in electromechanical coupling by isolating ionic membrane variables through inert reinforcement layers.
- Operational Value: Achieves high repeatability in membrane thickness (e.g., 54 μm) and electrode adhesion via standardized drying and layering protocols.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling in-house actuator production, reducing dependency on external vendors for custom soft robotic components.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by providing go/no-go thresholds based on capacitive current response vs. Ohmic failure modes during characterization.
Implementation Considerations
- Requires expertise in polymer processing, ionic liquid handling, and vacuum-assisted drying to prevent pinhole formation in multilayer membranes.
- Necessitates instrumentation including spray guns, ultrasonic probes, thickness gauges, and freeze-fracture setups for structural validation.
- Demands cross-team standardization of membrane soaking times, drying temperatures (e.g., 70°C for polymer dissolution), and gold leaf transfer protocols to ensure inter-lab reproducibility.
- Involves adaptation considerations when substituting membrane types (tri-PTFE, textile-reinforced, or electrolyte-soaked) while maintaining actuator functionality and mechanical integrity.
- Practical limitations include sensitivity to wrinkles during membrane framing and the need for careful layering to avoid delamination at electrode-membrane interfaces.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:15
Membrane Preparation- Option A: Dry Porous PTFE Sheet
1:45
Membrane Preparation- Option B: Soaked Porous PTFE Sheet
3:05
Membrane Preparation- Option C: Textile Reinforcement
5:21
Electrode Preparation- Making the Suspension
6:57
Electrode Preparation- Spray-Coating
7:58
Current Collector Attachment: Gold
10:34
Cutting And Shaping: FInal Steps Before It Is Ready
11:17
Representative Results: Gripper in Action
13:30
Representative Results: Cryo-Fracturing (Textile)
