Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Ontwerp, fabricage en demonstratie van zachte dunne-film actuatoren

527 weergaven

⸱

DOI:

10.3791/68951

⸱

29 augustus 2025

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

In dit artikel

Samenvatting

Zachte actuatoren kunnen worden gebruikt bij de fabricage van zachte robots en draagbare apparaten. Hun conformiteit stelt hen in staat om hun functionaliteit te behouden, zelfs als ze vervormd zijn. Hier wordt een protocol gepresenteerd om zachte dunne-film actuatoren te fabriceren en om hun toepassing in kruipende robots, zachte robotgrijpers en haptische feedbackinterfaces te demonstreren.

Samenvatting

Zachte actuatoren hebben veelbelovende eigenschappen met betrekking tot toepassingen in zachte robotica en mens-machine-interfaces. Vooral wanneer ze rechtstreeks in contact komen met de menselijke huid, kunnen zachte dunne actuatoren de mechanische koppeling met menselijk weefsel evenaren. De verkenning naar het verbeteren van de prestaties en robuustheid van zachte actuatoren is cruciaal voor de ontwikkeling van flexibele apparaten. De vraag naar robuuste, flexibele apparaten vormt een uitdaging voor de prestaties en productiemethoden van de actuatoren. Het artikel illustreert technieken voor het ontwerp en de fabricage van zachte dunne-film actuatoren. Deze zachte actuatoren zijn robuust en tonen potentieel in veelzijdige scenario's. Dit protocol toont het potentieel van de dunne-film actuatoren in drie verschillende toepassingen. Eerst werd een kruipende robot gefabriceerd die werd aangedreven door zachte dunne-film actuatoren. De robot is extreem robuust. Het kan continu hameren overleven en functioneel blijven, zelfs met drie metalen naalden die door zijn lichaam zijn doorboord. Ten tweede werd een zachte robotgrijper gemaakt, die fijne manipulaties kan uitvoeren, zoals het vastpakken van een stuk papier zonder het te beschadigen. Ten derde werd een haptisch feedbackapparaat met een dunne-filmactuator vervaardigd, die ontroerende feedback kan geven bij interactie met de menselijke huid. Dit protocol demonstreert efficiënte fabricageprocessen voor robuuste zachte dunne-film actuatoren, met verschillende toepassingsmogelijkheden voor het aandrijven van robuuste zachte robotica.

Inleiding

In vergelijking met starre motoren vertonen flexibele actuatoren een superieure flexibiliteit en aanpassingsvermogen1. Ze worden veel gebruikt bij de productie van zachte robots en sensoren. De huidige typen zachte actuatoren omvatten pneumatische actuatoren2, actuatoren voor chemische brandstoffen3, hydraulische actuatoren4, actuatoren van legering met vormgeheugen (SMA)5, diëlektrische elastomeeractuatoren6 en actuatoren voor elektroactieve polymeren7. Het doel van dit onderzoek is het ontwerpen van een flexibele actuator met een eenvoudig productieproces en robuuste prestaties. Bovenstaande kenmerken worden in de volgende tekst beschreven.

De ontwikkelde zachte dunne-film actuator (STFA) werkt via het elektroadhesieprincipe (EA)8. De structuur en het werkingsprincipe van STFA's worden weergegeven in figuur 1. De structuur bestaat uit een actieve laag en een substraatlaag gescheiden door een luchtspleet. Wanneer een spanning wordt aangelegd, genereren elektroden in de actieve laag elektrische velden, waardoor tegengestelde ladingen in de substraatlaag worden geïnduceerd. Elektrostatische aantrekkingskracht tussen deze ladingen zorgt ervoor dat de actieve laag naar het substraat buigt. De bediening van de STFA kan worden geregeld door de frequentie en amplitude van het spanningssignaal te moduleren.

STFA's kunnen een snelle activering bereiken en hun functionaliteit behouden onder mechanische verstoringen. Een kruipende robot die STFA's gebruikte, behield bijvoorbeeld zijn functionaliteit onder continue hamerslagen9 en werd zelfs doorboord met drie metalen naalden (gedemonstreerd in de aanvullende video 1 en aanvullende video 2). Als grijpers presteren flexibele actuatoren beter dan stijve tegenhangers in aanpassingsvermogen10. Hun conforme oppervlakken passen zich nauw aan de objectgeometrieën aan, waardoor het risico op schade aan breekbare voorwerpen tijdens het grijpen tot een minimum wordt beperkt.

De operationele stabiliteit van de STFA's voldoet aan de eisen van draagbare toepassingen. Ze zetten elektrische signalen direct om in mechanische stimuli door middel van ruimtelijk gerichte tactiele bediening. Een haptische feedbackinterface die is gebouwd met STFA's, demonstreert effectieve informatieoverdracht door signalen met meerdere intensiteiten aan de vingertoppen te leveren9.

De belangrijkste bijdrage van deze studie is het voorstellen van een efficiënte actuator met een eenvoudig fabricageproces. De STFA is flexibel, robuust en kan goede prestaties leveren op het gebied van stroomverbruik. Het multifunctionele potentieel van STFA's wordt gevalideerd door middel van drie toepassingen: kruipende robots, zachte robotgrijpers en haptische feedbackinterfaces. De kruipende robots demonstreren de bewegingsrijdbaarheid van de STFA's. De haptische feedbackinterfaces benadrukken hun nut voor interactie tussen mens en machine. Deze implementaties bevestigen samen het potentieel van de STFA's op het gebied van zachte robotica en draagbare technologieën.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Dit protocol beschrijft de fabricagefasen van STFA en op STFA gebaseerde kruiprobots, zachte robotgrijpers en haptische feedbackinterfaces. Figuur 2, Figuur 3, Figuur 4 en Figuur 5 tonen het stapsgewijze fabricageproces van het apparaat. De reagentia en de apparatuur die in dit onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.

1. Fabricage van een zachte dunne-film actuator

  1. Ontwerp het interdigitated elektrodepatroon (Figuur 2A).
  2. Configureer lasergraveerparameters (snijden: vermogen = 20, snelheid = 10, PPI/Hz = 1000).
  3. Snijd een stuk polyethyleentereftalaat (PET) folie met aluminiumcoating (100 μm dik), met afmetingen van 30 cm × 20 cm.
  4. Plaats de PET-folie met de aluminium kant naar boven in de werkruimte van de lasersnijder.
  5. Voer laserpatronen uit van de PET-folie (gravure: vermogen = 55, snelheid = 100, PPI/Hz = 1000, snijden: vermogen = 20, snelheid = 10, PPI/Hz = 1000, Figuur 2B en Figuur 2C).
  6. Bevestig elektrische kabels: Plaats twee draden op de aansluitklemmen van de PET-folie met patroon. Zet verbindingen vast met geleidende lijm.
  7. Kapsel het apparaat in: Bedek de PET-folie-loodinterface volledig met plakband (afbeelding 2D).
    OPMERKING: Het ingevulde voorbeeld van de STFA wordt weergegeven in figuur 2E.

2. Fabricage van de kruipende robot

  1. Teken het bovenaanzichtpatroon van de voor- en achterpoot voor de kruipende robot met behulp van CAD-software (Figuur 3A).
  2. Snijd de beenpatronen met de lasersnijder uit een 100 μm dikke polyethyleentereftalaat (PET)-folie (snijden: vermogen = 20, snelheid = 10, PPI/Hz = 1000, afbeelding 3B).
  3. Bereid twee dubbelzijdige plakband van 0,1 mm dik voor (elk 11 mm × 3 mm). Bevestig ze aan de voor- en achterkant van de STFA (Figuur 3C).
  4. Buig de uiteinden van de ledematen in een hoek van ongeveer 45° met een pincet en zorg ervoor dat de uiteinden een gelijkmatige hoek vormen (Afbeelding 3D).
  5. Fabriceer een STFA met totale afmetingen van 35 mm × 11 mm, met elektroden van 1 mm breed en een afstand tussen de interelektroden van 0,5 mm.
  6. Zet de kruipende robot in elkaar door de voor- en achterpoten aan de STFA te bevestigen (Figuur 3E).

3. Fabricage van de zachte robotgrijper

  1. Fabriceer STFA met Polydimethylsiloxaan (PDMS) als substraat:
    1. Voeg 20 g PDMS Sylgard deel A en 0,4 g deel B toe aan een mengvat en meng de siliconen met een vacuümmenger (fase 1: druk = 100 kPa, bedrijfstijd = 30 s.; fase 2: druk = 1 kPa, bedrijfstijd = 30 s.).
    2. Gebruik de micro-automatische coatingmachine (draaisnelheid = 2, schraaphoogte = 0,7 mm) om de gemengde siliconen op een PET-substraat van A4-formaat aan te brengen (afbeelding 4A).
    3. Snijd het masker met een geïntegreerd elektrodepatroon (snijden: vermogen = 20, snelheid = 10, PPI/Hz = 1000, Figuur 4B).
    4. Plaats het masker op met siliconen gecoat PET en gebruik een airbrush (met een mondstukafstand van 10 cm, druk van 15 psi, hoek van 45-60 graden en dosering van 5 ml) om koolstofpoeder te spuiten om de elektroden te vormen (Figuur 4C).
    5. Verwijder het masker en controleer of er geen koolpoedervlek is tussen aangrenzende elektroden na het verwijderen van het masker (Figuur 4D).
    6. Knip de STFA uit en los P(VDF-TrFE-CTFE) poeder op in dimethylformamide (4,76 gew.%)11. Gebruik de airbrush (met een mondstukafstand van 10 cm, een druk van 15 psi, een hoek van 45-60 graden en een dosering van 10 ml) om de gemengde oplossing op de elektrode te spuiten (Figuur 4E).
    7. Sluit elektrische kabels aan op de STFA (Figuur 4F).
    8. Verwijder het PET-substraat van A4-formaat
  2. Integreer de STFA's in de robotarm.
  3. Leid de elektrische aansluitingen.

4. Fabricage van de haptische feedbackinterface

  1. Fabriceer een STFA met totale afmetingen van 35 mm × 11 mm, met elektroden van 1 mm breed en een afstand tussen de interelektroden van 0,5 mm.
  2. Ontwerp de afdeklaag en substraatlaagpatronen voor de STFA (Figuur 5A).
  3. Ontwerp het externe contourpatroon voor de substraatlaag (Figuur 5B).
  4. Lasersnijden van de afdek- en substraatlagen volgens stap 1 (snijden: vermogen = 20, snelheid = 10, PPI/Hz = 1000, afbeelding 5C).
  5. Snijd een 0,8 mm dik plakband dat overeenkomt met het contourpatroon uit stap 4.3 met een laser en verlijm het op de substraatlaag (snijden: vermogen = 20, snelheid = 10, PPI/Hz = 1000, afbeelding 5D).
  6. Plak de STFA op de substraatlaag (Figuur 5E).
  7. Plak de deklaag op de substraatlaag (Figuur 5F).
  8. Integreer STFA met connectoren om de haptische feedbackinterface samen te stellen (Afbeelding 5G).
    OPMERKING: De structuur en het voltooide voorbeeld van de haptische feedbackinterface worden weergegeven in Figuur 5H,I.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Om de voorgestelde methode te demonstreren, schetst het protocol de fabricage van prototypes en de prestaties van functionele validatie. Eerst wordt het productieproces van de STFA gedetailleerd beschreven. Figuur 2A toont het ontworpen elektrodepatroon, bestaande uit interdigitated elektroden die eindigen in verbindingspads voor kabelbevestiging. Figuur 2E toont de ingevulde STFA. Tijdens het ge...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Met behulp van deze methodologie werd een succesvolle fabricage van STFA's bereikt, gevolgd door een demonstratie van hun potentieel in drie verschillende toepassingen. De STFA-fabricage omvat drie kritieke stappen: (1) passend 2D-ontwerp: de geometrie van het elektrodepatroon dicteert de afmetingen van de actuator, terwijl de hoeveelheid en afmetingen van de geïnterdigiteerde elektroden de bedieningsprestaties kritisch bepalen; (2) betrouwbare elektrische tussenvoering: een goede aanslu...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gefinancierd door de National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52175048).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
0.1 mm Dubbelzijdig plakband3M
0.8 mm Dubbelzijdig plakband3MVHB
3D printerBambuX1-Carbon
AirbrushClenchLP-131De mondstukafstand is 10 cm, de druk is 15 psi, de hoek is 45 tot 60 graden
AutoCADAutodesk
LeidbaarheidskleeflaagJinshidaK-818
Dimethyl FormamideMacklinCAS 68-12-2
LasersnijderTrotecQ400Graveren: vermogen=55, snelheid=100, pulsen per inch (PPI)/Hz = 1000
Snijden: vermogen = 20, snelheid = 10, PPI/Hz = 1000
Micro automatische coatingmachineBEVS1818Hloopsnelheid = 2, schrapershoogte = 0,7 mm
P(VDF-TrFE-CTFE)Piezotech-Arkema
Polyethyleentereftalaat (PET) folie met aluminiumPinhao Technology 
RobotarmYeahbotAm1
Silicone Elastomeer BasisSylgard184
Eenzijdig plakbandDeli

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Zachte RoboticaFabricage van ActuatorenFlexibele ApparatenMens-Machine InterfacesRobotgrijperHaptisch FeedbackapparaatMechanische KoppelingRobuuste ActuatorenOntwerp van Dunfilmactuatoren

Dit artikel is gepubliceerd

Video binnenkort beschikbaar

Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.