Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Projektowanie, produkcja i demonstracja miękkich siłowników cienkowarstwowych

518 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/68951

⸱

29 sierpnia 2025

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

W tym artykule

Podsumowanie

Miękkie siłowniki mogą być stosowane w produkcji miękkich robotów i urządzeń ubieralnych. Ich podatność pozwala im zachować funkcjonalność nawet po odkształceniu. W tym miejscu przedstawiono protokół mający na celu wytwarzanie miękkich siłowników cienkowarstwowych i demonstrowanie ich zastosowania w robotach pełzających, miękkich chwytakach robotycznych i interfejsach haptycznego sprzężenia zwrotnego.

Streszczenie

Miękkie siłowniki mają obiecujące właściwości w zastosowaniach w miękkiej robotyce i interfejsach człowiek-maszyna. Zwłaszcza w przypadku bezpośredniego kontaktu z ludzką skórą, miękkie, cienkie siłowniki mogą pasować do mechanicznego sprzężenia z ludzką tkanką. Badania nad poprawą wydajności i wytrzymałości miękkich siłowników mają kluczowe znaczenie dla rozwoju elastycznych urządzeń. Zapotrzebowanie na solidne, elastyczne urządzenia stanowi wyzwanie dla wydajności i metod produkcji siłowników. W artykule przedstawiono techniki projektowania i wytwarzania miękkich siłowników cienkowarstwowych. Te miękkie siłowniki są wytrzymałe i wykazują potencjał w wszechstronnych scenariuszach. Protokół ten pokazuje potencjał siłowników cienkowarstwowych w trzech różnych zastosowaniach. Najpierw wyprodukowano robota pełzającego napędzanego miękkimi siłownikami cienkowarstwowymi. Robot jest niezwykle wytrzymały. Może przetrwać ciągłe uderzanie młotkiem i zachować funkcjonalność nawet po przebiciu trzech metalowych igieł przez jego korpus. Po drugie, wyprodukowano miękki chwytak robotyczny, który może wykonywać precyzyjne manipulacje, takie jak chwytanie kartki papieru bez jej uszkadzania. Po trzecie, wyprodukowano urządzenie do dotykowego sprzężenia zwrotnego z cienkowarstwowym siłownikiem, który może dostarczać dotykowe sprzężenie zwrotne podczas interakcji z ludzką skórą. Protokół ten demonstruje wydajne procesy produkcyjne wytrzymałych miękkich siłowników cienkowarstwowych, o różnym potencjale zastosowania w napędzaniu solidnej miękkiej robotyki.

Wprowadzenie

W porównaniu z silnikami sztywnymi, siłowniki elastyczne wykazują lepszą podatność i zdolność adaptacji1. Są szeroko stosowane w produkcji miękkich robotów i czujników. Obecne typy miękkich siłowników obejmują siłowniki pneumatyczne2, siłowniki paliwa chemicznego3, siłowniki hydrauliczne4, siłowniki ze stopu z pamięcią kształtu (SMA)5, siłowniki z elastomeru dielektrycznego6 i siłowniki z polimerów elektroaktywnych7. Celem tych badań jest zaprojektowanie elastycznego siłownika o prostym procesie produkcyjnym i solidnej wydajności. Powyższe cechy zostaną opisane w poniższym tekście.

Opracowany miękki siłownik cienkowarstwowy (STFA) działa na zasadzie elektroadhezji (EA)8. Budowę i zasadę działania STFA przedstawiono na rysunku 1. Jego struktura składa się z warstwy aktywnej i warstwy substratu oddzielonych szczeliną powietrzną. Po przyłożeniu napięcia elektrody w warstwie aktywnej wytwarzają pola elektryczne, indukując przeciwne ładunki w warstwie podłoża. Przyciąganie elektrostatyczne między tymi ładunkami powoduje wyginanie się warstwy aktywnej w kierunku podłoża. Uruchamianie STFA może być kontrolowane poprzez modulację częstotliwości i amplitudy sygnału napięciowego.

STFA mogą osiągać szybkie uruchamianie i utrzymywać funkcjonalność w przypadku zakłóceń mechanicznych. Na przykład, pełzający robot korzystający z STFA zachowywał funkcjonalność nawet przy ciągłych uderzeniach młotkiem9, a nawet przebijaniu na wylot trzema metalowymi igłami (pokazano to w filmie uzupełniającym 1 i filmie uzupełniającym 2). Jako chwytaki, siłowniki elastyczne przewyższają sztywne odpowiedniki pod względem zdolności adaptacyjnych10. Ich podatne powierzchnie ściśle odpowiadają geometrii obiektu, minimalizując ryzyko uszkodzenia delikatnych przedmiotów podczas chwytania.

Stabilność działania STFA odpowiada wymaganiom aplikacji ubieralnych. Bezpośrednio przekształcają sygnały elektryczne w bodźce mechaniczne poprzez przestrzennie ukierunkowane aktywacje dotykowe. Interfejs haptycznego sprzężenia zwrotnego zbudowany z STFA demonstruje skuteczny transfer informacji, dostarczając sygnały o różnej intensywności do opuszków palców9.

Głównym wkładem tego badania jest zaproponowanie wydajnego siłownika o prostym procesie produkcji. STFA jest elastyczny, wytrzymały i może utrzymać dobrą wydajność pod względem zużycia energii. Wielofunkcyjny potencjał STFA jest weryfikowany za pomocą trzech zastosowań: robotów pełzających, miękkich chwytaków robotycznych i interfejsów haptycznego sprzężenia zwrotnego. Pełzające roboty demonstrują możliwości STFA w zakresie kierowania ruchem. Interfejsy haptycznego sprzężenia zwrotnego podkreślają ich użyteczność interakcji człowiek-maszyna. Wdrożenia te łącznie potwierdzają potencjał STFA w zakresie miękkiej robotyki i technologii ubieralnych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Protokół ten opisuje fazy produkcji robotów pełzających STFA i opartych na STFA, miękkich chwytaków robotycznych i interfejsów haptycznego sprzężenia zwrotnego. Rysunki 2, Rysunki 3, Rysunki 4 i Rysunki 5 pokazują proces produkcji urządzenia krok po kroku. Odczynniki i sprzęt używany w tym badaniu są wymienione w Tabeli Materiałów.

1. Wykonanie miękkiego siłownika cienkowarstwowego

  1. Zaprojektuj wzór elektrody międzypalcowej (rysunek 2A).
  2. Skonfiguruj parametry grawerowania laserowego (cięcie: moc = 20, prędkość = 10, PPI/Hz = 1000).
  3. Wytnij kawałek folii z politereftalanu etylenu (PET) z powłoką aluminiową (o grubości 100 μm), o wymiarach 30 cm × 20 cm.
  4. Umieść folię PET aluminiową stroną do góry w obszarze roboczym wycinarki laserowej.
  5. Wykonaj laserowe modelowanie folii PET (grawerowanie: moc = 55, prędkość = 100, PPI/Hz = 1000, cięcie: moc = 20, prędkość = 10, PPI/Hz = 1000, rysunek 2B i rysunek 2C).
  6. Podłącz przewody elektryczne: Umieść dwa przewody na podkładkach zaciskowych wzorzystej folii PET. Zabezpiecz połączenia za pomocą kleju przewodzącego.
  7. Szczelnie zakryj urządzenie: Całkowicie zakryj interfejs folii PET i przewodu taśmą samoprzylepną (Rysunek 2D).
    UWAGA: Wypełnioną próbkę STFA pokazano na rysunku 2E.

2. Produkcja robota pełzającego

  1. Narysuj wzór widoku z góry przedniej i tylnej nogi robota pełzającego za pomocą oprogramowania CAD (Rysunek 3A).
  2. Wytnij wzory nóg za pomocą wycinarki laserowej z folii z politereftalanu etylenu (PET) o grubości 100 μm (cięcie: moc = 20, prędkość = 10, PPI/Hz = 1000, rysunek 3B).
  3. Przygotuj dwie dwustronne taśmy klejące o grubości 0,1 mm (11 mm × 3 mm każda). Przymocuj je do przedniego i tylnego końca STFA (Rysunek 3C).
  4. Zegnij końcówki kończyn pod kątem około 45° za pomocą pęsety i upewnij się, że końcówki tworzą stały kąt (ryc. 3D).
  5. Wykonaj STFA o wymiarach całkowitych 35 mm × 11 mm, z elektrodami o szerokości 1 mm i odstępami między elektrodami 0,5 mm.
  6. Zmontuj robota pełzającego, przyklejając przednie i tylne nogi do STFA (Rysunek 3E).

3. Produkcja miękkiego chwytaka robotycznego

  1. Wytwarzanie STFA z polidimetylosiloksanem (PDMS) jako substratem:
    1. Dodać 20 g PDMS Sylgard część A i 0,4 g część B do naczynia do mieszania i wymieszać silikon z mieszalnikiem próżniowym (faza 1: ciśnienie = 100 kPa, czas pracy = 30 s; faza 2: ciśnienie = 1 kPa, czas pracy = 30 s).
    2. Użyj mikroautomatycznej maszyny do powlekania (prędkość robocza = 2, wysokość skrobaka = 0.7 mm), aby nałożyć zmieszany silikon na podłoże PET w formacie A4 (Rysunek 4A).
    3. Wytnij maskę za pomocą wzoru elektrody międzypalcowej (cięcie: moc = 20, prędkość = 10, PPI/Hz = 1000, rysunek 4B).
    4. Umieść maskę na pokrytym silikonem PET i użyj aerografu (z odległością dyszy 10 cm, ciśnieniem 15 psi, kątem 45-60 stopni i dawką 5 ml), aby rozpylić proszek węglowy, aby uformować elektrody (rysunek 4C).
    5. Zdejmij maskę i sprawdź, czy po zdjęciu maski nie ma rozmazu proszku węglowego między sąsiednimi elektrodami (Rysunek 4D).
    6. Wyciąć STFA i rozpuścić proszek P(VDF-TrFE-CTFE) w dimetyloformamidzie (4,76% wag.)11. Użyj aerografu (z odległością dyszy 10 cm, ciśnieniem 15 psi, kątem 45-60 stopni i dozowaniem 10 ml), aby rozpylić zmieszany roztwór na elektrodę (rysunek 4E).
    7. Podłącz przewody elektryczne do STFA (Rysunek 4F).
    8. Usuń podłoże PET w formacie A4
  2. Zintegruj STFA z ramieniem robota.
  3. Poprowadź połączenia elektryczne.

4. Produkcja interfejsu dotykowego sprzężenia zwrotnego

  1. Wykonaj STFA o wymiarach całkowitych 35 mm × 11 mm, z elektrodami o szerokości 1 mm i odstępami między elektrodami 0,5 mm.
  2. Zaprojektuj wzory warstwy wierzchniej i warstwy podłoża dla STFA (Rysunek 5A).
  3. Zaprojektuj zewnętrzny wzór konturu dla warstwy podłoża (Rysunek 5B).
  4. Laserowe cięcie warstw pokrycia i podłoża zgodnie z krokiem 1 (cięcie: moc = 20, prędkość = 10, PPI/Hz = 1000, rysunek 5C).
  5. Wytnij laserowo taśmę samoprzylepną o grubości 0,8 mm, dopasowaną do wzoru konturu z kroku 4.3 i przyklej ją do warstwy podłoża (cięcie: moc = 20, prędkość = 10, PPI/Hz = 1000, rysunek 5D).
  6. Wklej STFA na warstwę podłoża (Rysunek 5E).
  7. Wklej warstwę wierzchnią na warstwę podłoża (Rysunek 5F).
  8. Zintegruj STFA ze złączami, aby zmontować interfejs dotykowego sprzężenia zwrotnego (rysunek 5G).
    UWAGA: Struktura i ukończona próbka interfejsu haptycznego sprzężenia zwrotnego pokazano na rysunku 5H,I.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Aby zademonstrować proponowaną metodę, w protokole przedstawiono proces wytwarzania prototypowych urządzeń oraz przeprowadzanie walidacji funkcjonalnej. Po pierwsze, proces produkcji STFA jest szczegółowy. Rysunek 2A przedstawia projektowany wzór elektrody, składający się z elektrod międzypalcowych zakończonych podkładkami połączeniowymi do mocowania przewodów. Rysunek 2E przedstawia ukończony STFA. Podczas pracy przyłożenie napi...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Korzystając z tej metodologii, udało się wyprodukować STFA, a następnie zademonstrować ich potencjał w trzech różnych zastosowaniach. Produkcja STFA obejmuje trzy kluczowe etapy: (1) odpowiedni projekt 2D: geometria wzoru elektrody dyktuje wymiary siłownika, podczas gdy ilość i wymiary elektrod międzypalcowych mają decydujący wpływ na wydajność uruchamiania; (2) Niezawodne połączenie elektryczne: prawidłowe połączenie warstwy elektrody aluminiowej z przewodami zewnętrznymi uzyskuje się za pomocą kleju przewodzącego; (3) ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

Praca ta została sfinansowana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (grant nr 52175048).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Taśma dwustronna 0,1 mm3 mln
Taśma dwustronna 0,8 mm3 mlnStacja VHB (Międzynarodowa Sieć T
Drukarka 3DBambu powiedział:X1-Węgiel
AirbrushZaciskaćPłyta LP-131Odległość dyszy wynosi 10 cm, ciśnienie 15 psi, kąt od 45 do 60 stopni
Program AutoCADBiurko Autodesk
klej przewodzącyJinshida powiedział:Zobacz materiał K-818
DimetyloformamidMacklin powiedział:CAS 68-12-2
Wycinarka laserowaFirma TrotecPytanie Q400Grawerowanie: moc = 55, prędkość = 100, impulsy na cal (PPI) / Hz = 1000
Cięcie: moc = 20, prędkość = 10, PPI / Hz = 1000
Mikro automatyczna maszyna do powlekaniaPojazdy BEV1818Hprędkość jazdy = 2, wysokość skrobaka = 0,7 mm
P(VDF-TRFE-CTFE)Piezotech-Arkema
Folia z politereftalanu etylenu (PET) z aluminiumTechnologia Pinhao 
Ramię robotaTakbotPoprawka Am1
Baza z elastomeru silikonowegoSylgard powiedział:184
Taśma jednostronnaDeli

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Miękka robotykawykonanie aktuatoraelastyczne urządzeniainterfejsy człowiek-maszynachwytak robotycznyurządzenie do sprzężenia zwrotnego haptycznegosprzęgło mechanicznewytrzymałe aktuatoryprojekt cienkowarstwowego aktuatora

Ten artykuł został opublikowany

Film wkrótce dostępny

Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.