Fabbricazione di attuatori morbidi ionici ad attività in carbonio

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.