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方法論記事

軟質薄膜アクチュエータの設計・製作・実証

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DOI:

10.3791/68951

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2025年8月29日

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

この記事について

サマリー

ソフトアクチュエータは、ソフトロボットやウェアラブルデバイスの製造に使用できます。コンプライアンスにより、変形しても機能性を維持できます。ここでは、ソフト薄膜アクチュエータを作製し、クロールロボット、ソフトロボットグリッパー、および触覚フィードバックインターフェースへの応用を実証するためのプロトコルを提示します。

要約

ソフトアクチュエータは、ソフトロボティクスやヒューマンマシンインターフェースへの応用に関して有望な特性を提示する。特に人間の皮膚と直接接触する場合、柔らかく薄いアクチュエータは、人間の組織との機械的結合を一致させることができます。ソフトアクチュエータの性能と堅牢性を向上させる探求は、フレキシブルデバイスの開発にとって非常に重要です。堅牢で柔軟なデバイスに対する需要は、アクチュエータの性能と製造方法に課題をもたらしています。この記事では、軟質薄膜アクチュエータの設計と製造の技術について説明します。これらのソフトアクチュエータは堅牢で、さまざまなシナリオで可能性を発揮します。このプロトコルは、3つの異なるアプリケーションにおける薄膜アクチュエータの可能性を示しています。まず、軟質薄膜アクチュエータで駆動する這い道走りロボットを作製しました。ロボットは非常に頑丈です。連続したハンマーに耐えることができ、3本の金属針が本体に穴を開けても機能を維持します。次に、紙を傷つけずにつかむなどの細かい操作ができるソフトロボットグリッパーを製作しました。第三に、人間の皮膚と相互作用するときに触れるフィードバックを提供できる薄膜アクチュエーターを備えた触覚フィードバックデバイスを製造しました。このプロトコルは、堅牢なソフト ロボティクスを駆動するためのさまざまなアプリケーションの可能性を備えた、堅牢なソフト薄膜アクチュエータの効率的な製造プロセスを実証します。

概要

リジッドモーターと比較して、フレキシブルアクチュエータは優れたコンプライアンスと適応性を示します1。これらはソフトロボットやセンサーの製造に広く使用されています。現在のタイプのソフトアクチュエータには、空気圧アクチュエータ2、化学燃料アクチュエータ3、油圧アクチュエータ4、形状記憶合金(SMA)アクチュエータ5、誘電体エラストマーアクチュエータ6、および電気活性ポリマーアクチュエータ7が含まれます。この研究の目的は、シンプルな製造プロセスと堅牢な性能を備えた柔軟なアクチュエータを設計することです。上記の特性については、次のテキストで説明します。

開発されたソフト薄膜アクチュエータ(STFA)は、電気接着(EA)原理8によって動作します。STFAの構造と動作原理を図1に示します。その構造は、活性層とエアギャップで分離された基板層からなる。電圧が印加されると、活性層の電極が電界を生成し、基板層に反対の電荷を誘導します。これらの電荷間の静電引力により、活性層が基板に向かって曲がります。STFAの作動は、電圧信号の周波数と振幅を変調することによって制御できます。

STFAは、機械的外乱下でも高速作動を実現し、機能を維持できます。例えば、STFAを用いた這い回るロボットは、連続的なハンマー打撃9や、3本の金属針で穴を開けても機能を維持した(補足ビデオ1および補足ビデオ2で実証)。グリッパーとして、フレキシブルアクチュエータは適応性においてリジッドアクチュエータよりも優れています10。その準拠した表面は物体の形状に密接に適合し、把持中の壊れやすいアイテムへの損傷リスクを最小限に抑えます。

STFAの動作安定性は、ウェアラブルアプリケーションの要件に適合します。それらは、空間的にターゲットを絞った触覚作動を通じて、電気信号を機械的刺激に直接変換します。STFAで構築された触覚フィードバックインターフェースは、指先に多強度信号を伝達することにより、効果的な情報伝達を実証します9。

この研究の主な貢献は、単純な製造プロセスで効率的なアクチュエータを提案することです。STFAは柔軟性があり、堅牢で、消費電力の点で良好な性能を維持できます。STFAの多機能の可能性は、クロールロボット、ソフトロボットグリッパー、触覚フィードバックインターフェースの3つのアプリケーションを通じて検証されています。クロールロボットは、STFAのモーションドライブ機能を実証します。触覚フィードバックインターフェイスは、人間と機械の相互作用の有用性を強調しています。これらの実装は、ソフトロボティクスとウェアラブル技術におけるSTFAの可能性を総合的に確認します。

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プロトコル

このプロトコルは、STFAおよびSTFAベースのクロールロボット、ソフトロボットグリッパー、および触覚フィードバックインターフェースの製造段階を記述します。 図 2、 図 3、 図 4、 および図 5 は、段階的なデバイス製造プロセスを示しています。この研究で使用された試薬と機器は、 材料表に記載されています。

1. 軟質薄膜アクチュエータの製作

  1. インターディジテッド電極パターンを設計します(図2A)。
  2. レーザー彫刻パラメータを設定します (切断: 出力 = 20、速度 = 10、PPI/Hz = 1000)。
  3. アルミニウムコーティング(厚さ100μm)のポリエチレンテレフタレート(PET)ホイルを30cm×20cmの寸法でカットします。
  4. PETホイルをアルミニウム面を上にして、レーザーカッターの作業スペースに配置します。
  5. PETホイルのレーザーパターニングを実行します(彫刻:出力= 55、速度= 100、PPI / Hz = 1000、切断:出力= 20、速度= 10、PPI / Hz = 1000、 図2B および 図2C)。
  6. 導電線を取り付ける: パターン化された PET ホイルの端子パッドに 2 本のワイヤを配置します。導電性接着剤で確実に接続します。
  7. デバイスをカプセル化する:PETホイルとリードの界面を粘着テープで完全に覆います(図2D)。
    注:STFAの完成したサンプルを 図2Eに示します。

2. 這いロボットの製作

  1. CADソフトウェアを使用して、クロールロボットの前後脚の上面図パターンを描画します(図3A)。
  2. 厚さ100μmのポリエチレンテレフタレート(PET)ホイルからレーザーカッターを使用して脚のパターンを切断します(切断:出力= 20、速度= 10、PPI / Hz = 1000、 図3B)。
  3. 厚さ0.1mmの両面粘着テープ(各11mm×3mm)を2枚用意します。STFA の前端と後端に取り付けます(図 3C)。
  4. ピンセットで手足の先端を約45°曲げ、先端が一定の角度になるようにします(図3D)。
  5. 全体寸法が35mm×11mmで、幅1mmの電極と0.5mmの電極間間隔を備えたSTFAを製造します。
  6. 前脚と後脚をSTFAに接着して、クロールロボットを組み立てます(図3E)。

3. ソフトロボットグリッパーの製作

  1. ポリジメチルシロキサン(PDMS)を基質としてSTFAを製造します。
    1. 20 gのPDMS SylgardパートAと0.4 gのパートBをミキシングポットに加え、シリコーンを真空ミキサーで混合します(フェーズ1:圧力= 100 kPa、動作時間= 30秒、フェーズ2:圧力= 1 kPa、動作時間= 30秒)。
    2. マイクロ自動コーティング機(走行速度=2、スクレーパー高さ=0.7mm)を使用して、混合したシリコーンをA4サイズのPET基材に塗布します(図4A)。
    3. インターディジットされた電極パターンでマスクを切断します(切断:電力= 20、速度= 10、PPI / Hz = 1000、 図4B)。
    4. マスクをシリコンでコーティングされたPETの上に置き、エアブラシ(ノズル距離10 cm、圧力15 psi、角度45〜60度、投与量5 mL)を使用してカーボンパウダーをスプレーし、電極を形成します(図4C)。
    5. マスクを取り外し、マスクを取り外した後、隣接する電極間にカーボンパウダーの塗抹がないことを確認します(図4D)。
    6. STFAを切り取り、P(VDF-TrFE-CTFE)粉末をジメチルホルムアミド(4.76 wt%)11に溶解します。エアブラシ(ノズル距離10 cm、圧力15 psi、角度45〜60度、投与量10 mL)を使用して、混合溶液を電極にスプレーします(図4E)。
    7. STFAに電気リード線を接続します(図4F)。
    8. A4サイズのPET基板を取り外します
  2. STFAをロボットアームに統合します。
  3. 電気接続を配線します。

4. 触覚フィードバックインターフェースの製作

  1. 全体寸法が35mm×11mmで、幅1mmの電極と0.5mmの電極間間隔を備えたSTFAを製造します。
  2. STFAのカバー層と基板層のパターンを設計します(図5A)。
  3. 基板層の外部輪郭パターンを設計します(図5B)。
  4. ステップ1に続くカバー層と基板層のレーザーカット(切断:出力= 20、速度= 10、PPI / Hz = 1000、 図5C)。
  5. ステップ4.3の輪郭パターンに一致する厚さ0.8mmの粘着テープをレーザーカットし、基板層に接着します(切断:出力=20、速度=10、PPI/Hz=1000、 図5D)。
  6. STFAを基板層に貼り付けます(図5E)。
  7. カバー層を基板層に貼り付けます(図5F)。
  8. STFAをコネクタと統合して、触覚フィードバックインターフェイスを組み立てます(図5G)。
    注:触覚フィードバックインターフェイスの構造と完成したサンプルを図5H、Iに示します。

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結果

提案された方法を実証するために、プロトコルはプロトタイプデバイスの製造と機能検証の実行の概要を示しています。まず、STFAの製造工程を詳しく説明します。 図2A は、リード線を取り付けるための接続パッドで終端するインターディジット電極で構成される、設計された電極パターンを示しています。 図 2E は、完成した STFA を示しています。動作中、隣接する指間電極に電圧を印加すると、接触面に反対の電荷を誘導する電界が生成されます。これらの電荷間の静電引力により、活性化されたSTFAとターゲット表面の間に電気接着が発生します。

上記の内容をもとに、STFAを駆動する這いロボットを開発しました。ロボットの方向性移動は、先端が 45° 曲がるように設計された一対の手足によって可能になり、PET パターンをレーザー切断した後に機械的に曲げることに...

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ディスカッション

この方法論を使用して、STFA の製造に成功し、その後、3 つの異なる用途でその可能性を実証しました。STFAの製造には、3つの重要なステップが含まれます:(1)適切な2D設計:電極パターンの形状がアクチュエータの寸法を決定し、インターディジットされた電極の量と寸法が作動性能を決定します。(2) 信頼性の高い電気インターフェース: アルミニウム電極層と外部リード線の適切な接続は、導電性接着剤を使用して実現されます。(3) 堅牢なカプセル化: 電極表面を粘着テープまたはその他の誘電体材料で完全に覆うことで、動的動作中の機械的安定性を確保できます。絶縁破壊故障が発生した場合、駆動電圧が高すぎるか、電極12間の偶発的な短絡が原因である可能性があります。問題のトラブルシューティング方法には、駆動電圧を 2.5 kV 未満に制限すること、および駆動電圧を印加する前に電極間に偶発的な電気接続がないことを確認することが含まれます。

デバイスを製造する際には、技術的な詳細も強調する必...

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開示事項

著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。

謝辞

この研究は、中国国家自然科学基金(助成金番号52175048)から資金提供を受けました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
0.1mm両面テープ3メートル
0.8mm両面テープ3メートルVHBの
3DプリンターバンブX1-カーボン
エアブラシ握り締めるLP-131ノズル距離は10cm、圧力は15psi、角度は45〜60度です
オートCADオートデスク
導電性接着剤ジンシダK-818型
ジメチルホルムアミドマックリンCAS 68-12-2
レーザーカッタートロテックQ400彫刻: パワー = 55、速度 = 100、インチあたりのパルス数 (PPI)/Hz = 1000
切断: パワー = 20、速度 = 10、PPI/Hz = 1000
マイクロ自動塗装機BEVの1818H走行速度 = 2、スクレーパー高さ = 0.7 mm
P(VDF-TrFE-CTFE)ピエゾテック・アルケマ
ポリエチレンテレフタレート(PET)箔とアルミニウムピニャオテクノロジー 
ロボットアームイェアボット午前1
シリコーンエラストマーベースシルガード184
片面テープデリ

参考文献

  1. Majidi, C., et al. Soft robotics: A perspective -Current trends and prospects for the future. Soft Robot. 1 (1), 5-11 (2014).
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  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).
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