Name: Produkcja jonowych, elektromechanicznie aktywnych miękkich siłowników na bazie węgla (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-04-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 42 s
Description: Poznaj metodę produkcji jonowych siłowników elektromechanicznych na bazie węgla do zastosowań biomedycznych i miękkiej robotyki. Protokół zapewnia powtarzalną i skalowalną fabrykację materiałów aktywnych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować Ronowi Hovenkampowi i Marcelowi Mulderowi z Philips Research za pomocne dyskusje. Prace te były częściowo wspierane przez instytucjonalne finansowanie badań naukowych IUT (IUT 20-24) estońskiego Ministerstwa Edukacji i Badań Naukowych, przez grant Estońskiej Rady ds. Badań Naukowych (PUT1696), przez Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego, przez program Mobilitas Pluss (grant nr MOBTP47), przez program Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań naukowych i innowacji w ramach umowy o udzielenie dotacji nr 793377 w ramach działania "Maria Skłodowska-Curie" (BIOACT), oraz w ramach projektu IMPACT-MII, innowacyjnego projektu EIT w dziedzinie zdrowia. EIT Health jest wspierany przez EIT, organ Unii Europejskiej.

<ol><li>Must, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ionic+and+Capacitive+Artificial+Muscle+for+Biomimetic+Soft+Robotics%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Engineering+Materials%22%5BJournal%5D)">Ionic and Capacitive Artificial Muscle for Biomimetic Soft Robotics.</a> Advanced Engineering Materials. 17 (1), 84-94 (2015).</li>
<li>McGovern, S., Alici, G., Truong, V. T., Spinks, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Finding+NEMO+%28novel+electromaterial+muscle+oscillator%29%3A+A+polypyrrole+powered+robotic+fish+with+real-time+wireless+speed+and+directional+control%5BTitle%5D)+AND+%22Smart+Materials+and+Structures%22%5BJournal%5D)">Finding NEMO (novel electromaterial muscle oscillator): A polypyrrole powered robotic fish with real-time wireless speed and directional control.</a> Smart Materials and Structures. 18 (9), (2009).</li>
<li>Hines, L., Petersen, K., Lum, G. Z., Sitti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+Actuators+for+Small-Scale+Robotics%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Soft Actuators for Small-Scale Robotics.</a> Advanced Materials. 29 (13), (2017).</li>
<li>Carpi, F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCarpi%2C+F+%22Electromechanically+Active+Polymers%22">Electromechanically Active Polymers</a>. , Springer International Publishing. Cham. (2016).</li>
<li>Bar-Cohen, Y., Anderson, I. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electroactive+polymer+%28EAP%29+actuators-background+review%5BTitle%5D)+AND+%22Mechanics+of+Soft+Materials%22%5BJournal%5D)">Electroactive polymer (EAP) actuators-background review.</a> Mechanics of Soft Materials. 1 (1), 5(2019).</li>
<li>Schmitt, F., Piccin, O., Barbé, L., Bayle, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+robots+manufacturing%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+Robotics+AI%22%5BJournal%5D)">Soft robots manufacturing: A review.</a> Frontiers Robotics AI. 5, (2018).</li>
<li>Rosset, S., Araromi, O. a, Schlatter, S., Shea, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+Process+of+Silicone-based+Dielectric+Elastomer+Actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators.</a> Journal of Visualized Experiments. (108), 1-13 (2016).</li>
<li>Fukushima, T., Asaka, K., Kosaka, A., Aida, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+Plastic+Actuator+through+Layer-by-Layer+Casting+with+Ionic-Liquid-Based+Bucky+Gel%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">Fully Plastic Actuator through Layer-by-Layer Casting with Ionic-Liquid-Based Bucky Gel.</a> Angewandte Chemie International Edition. 44 (16), 2410-2413 (2005).</li>
<li>Takeuchi, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electromechanical+behavior+of+fully+plastic+actuators+based+on+bucky+gel+containing+various+internal+ionic+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Electromechanical behavior of fully plastic actuators based on bucky gel containing various internal ionic liquids.</a> Electrochimica Acta. 54 (6), 1762-1768 (2009).</li>
<li>Mukai, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+performance+fully+plastic+actuator+based+on+ionic-liquid-based+bucky+gel%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">High performance fully plastic actuator based on ionic-liquid-based bucky gel.</a> Electrochimica Acta. 53 (17), 5555-5562 (2008).</li>
<li>Fedkiw, P. S., Her, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Impregnation-Reduction+Method+to+Prepare+Electrodes+on+Nafion+SPE%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">An Impregnation-Reduction Method to Prepare Electrodes on Nafion SPE.</a> Journal of the Electrochemical Society. 136 (3), 899-900 (1989).</li>
<li>Akle, B. J., Bennett, M. D., Leo, D. J., Wiles, K. B., McGrath, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+assembly+process%3A+a+novel+fabrication+technique+for+large+strain+ionic+polymer+transducers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">Direct assembly process: a novel fabrication technique for large strain ionic polymer transducers.</a> Journal of Materials Science. 42 (16), 7031-7041 (2007).</li>
<li>Akle, B., Nawshin, S., Leo, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reliability+of+high+strain+ionomeric+polymer+transducers+fabricated+using+the+direct+assembly+process%5BTitle%5D)+AND+%22Smart+Materials+and+Structures%22%5BJournal%5D)">Reliability of high strain ionomeric polymer transducers fabricated using the direct assembly process.</a> Smart Materials and Structures. 16 (2), 1-6 (2007).</li>
<li>Otero, T. F., Angulo, E., Rodríguez, J., Santamaría, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemomechanical+properties+from+a+bilayer%3A+polypyrrole+%2F+non-conducting+and+flexible+material+-+artificial+muscle%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Electroanalytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Electrochemomechanical properties from a bilayer: polypyrrole / non-conducting and flexible material - artificial muscle.</a> Journal of Electroanalytical Chemistry. 341 (1-2), 369-375 (1992).</li>
<li>Smela, E., Inganäs, O., Pei, Q., Lundström, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+muscles%3A+Micromachining+fingers+and+corkscrews%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Electrochemical muscles: Micromachining fingers and corkscrews.</a> Advanced Materials. 5 (9), 630-632 (1993).</li>
<li>Simaite, A., Mesnilgrente, F., Tondu, B., Souères, P., Bergaud, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Towards+inkjet+printable+conducting+polymer+artificial+muscles%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">Towards inkjet printable conducting polymer artificial muscles.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 229, 425-433 (2016).</li>
<li>Põldsalu, I., Mändmaa, S. -E., Peikolainen, A. -L., Kesküla, A., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+ion-conducting+carbon-polymer+composite+electrodes+by+spin-coating%5BTitle%5D)+AND+%22Electroactive+Polymer+Actuators+and+Devices+%28EAPAD%29%22%5BJournal%5D)">Fabrication of ion-conducting carbon-polymer composite electrodes by spin-coating.</a> Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD). , 943019(2015).</li>
<li>Kaasik, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalable+fabrication+of+ionic+and+capacitive+laminate+actuators+for+soft+robotics%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators%2C+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">Scalable fabrication of ionic and capacitive laminate actuators for soft robotics.</a> Sensors and Actuators, B: Chemical. 246, 154-163 (2017).</li>
<li>Sugino, T., Shibata, Y., Kiyohara, K., Asaka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Actuation+mechanism+of+dry-type+polymer+actuators+composed+by+carbon+nanotubes+and+ionic+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators%2C+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">Actuation mechanism of dry-type polymer actuators composed by carbon nanotubes and ionic liquids.</a> Sensors and Actuators, B: Chemical. 273, 955-965 (2018).</li>
<li>Conway, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transition+from+%22Supercapacitor%22+to+%22Battery%22+Behavior+in+Electrochemical+Energy+Storage%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+The+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">Transition from "Supercapacitor" to "Battery" Behavior in Electrochemical Energy Storage.</a> Journal of The Electrochemical Society. 138 (6), 1539(1991).</li>
<li>White, B. T., Long, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advances+in+Polymeric+Materials+for+Electromechanical+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecular+Rapid+Communications%22%5BJournal%5D)">Advances in Polymeric Materials for Electromechanical Devices.</a> Macromolecular Rapid Communications. 40 (1), 1-13 (2019).</li>
<li>Addinall, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Integration+of+CNT-based+actuators+for+bio-medical+applications+-+Example+printed+circuit+board+CNT+actuator+pipette%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE%2FASME+International+Conference+on+Advanced+Intelligent+Mechatronics%2C+AIM%22%5BJournal%5D)">Integration of CNT-based actuators for bio-medical applications - Example printed circuit board CNT actuator pipette.</a> IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM. , 1436-1441 (2014).</li>
<li>Zhang, J., Wu, J., Yu, J., Zhang, X., He, J., Zhang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+ionic+liquids+for+dissolving+cellulose+and+fabricating+cellulose-based+materials%3A+State+of+the+art+and+future+trends%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Chemistry+Frontiers%22%5BJournal%5D)">Application of ionic liquids for dissolving cellulose and fabricating cellulose-based materials: State of the art and future trends.</a> Materials Chemistry Frontiers. 1 (7), 1273-1290 (2017).</li>
<li>Must, I., Rinne, P., Krull, F., Kaasik, F., Johanson, U., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ionic+Actuators+as+Manipulators+for+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Robotics+and+AI%22%5BJournal%5D)">Ionic Actuators as Manipulators for Microscopy.</a> Frontiers in Robotics and AI. 6, (2019).</li>
<li>Torop, J., Palmre, V., Arulepp, M., Sugino, T., Asaka, K., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible+supercapacitor-like+actuator+with+carbide-derived+carbon+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon%22%5BJournal%5D)">Flexible supercapacitor-like actuator with carbide-derived carbon electrodes.</a> Carbon. 49 (9), 3113-3119 (2011).</li>
<li>Torop, J., Sugino, T., Asaka, K., Jänes, A., Lust, E., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoporous+carbide-derived+carbon+based+actuators+modified+with+gold+foil%3A+Prospect+for+fast+response+and+low+voltage+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">Nanoporous carbide-derived carbon based actuators modified with gold foil: Prospect for fast response and low voltage applications.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 161 (1), 629-634 (2012).</li>
<li>Vella, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Buffering+by+buckling+as+a+route+for+elastic+deformation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Physics%22%5BJournal%5D)">Buffering by buckling as a route for elastic deformation.</a> Nature Reviews Physics. 1 (7), 425-436 (2019).</li>
<li>Rinne, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Encapsulation+of+ionic+electromechanically+active+polymer+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Smart+Materials+and+Structures%22%5BJournal%5D)">Encapsulation of ionic electromechanically active polymer actuators.</a> Smart Materials and Structures. , (2019).</li>
<li>Nakshatharan, S. S., Punning, A., Johanson, U., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+electrical+terminals+made+of+copper+to+the+ionic+electroactive+polymer+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+SPIE+-+The+International+Society+for+Optical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Effect of electrical terminals made of copper to the ionic electroactive polymer actuators.</a> Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 10163, 101632(2017).</li>
<li>Punning, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ionic+electroactive+polymer+artificial+muscles+in+space+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Ionic electroactive polymer artificial muscles in space applications.</a> Scientific Reports. 4 (1), 6913(2014).</li>
<li>Sugino, T., Kiyohara, K., Takeuchi, I., Mukai, K., Asaka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Actuator+properties+of+the+complexes+composed+by+carbon+nanotube+and+ionic+liquid%3A+The+effects+of+additives%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+B%3A+Chemical%22%5BJournal%5D)">Actuator properties of the complexes composed by carbon nanotube and ionic liquid: The effects of additives.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 141 (1), 179-186 (2009).</li>
<li>Punning, A., Vunder, V., Must, I., Johanson, U., Anbarjafari, G., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+scanning+electron+microscopy+study+of+strains+of+ionic+electroactive+polymer+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Intelligent+Material+Systems+and+Structures%22%5BJournal%5D)">In situ scanning electron microscopy study of strains of ionic electroactive polymer actuators.</a> Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 27 (8), 1061-1074 (2016).</li>
<li>Must, I., Kaasik, F., Põldsalu, I., Johanson, U., Punning, A., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+carbide-derived+carbon+laminate+used+as+a+mechanoelectrical+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon%22%5BJournal%5D)">A carbide-derived carbon laminate used as a mechanoelectrical sensor.</a> Carbon. 50 (2), 535-541 (2012).</li>
<li>Kruusamäe, K., Punning, A., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+model+of+a+carbon-polymer+composite+%28CPC%29+collision+detector%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Electrical model of a carbon-polymer composite (CPC) collision detector.</a> Sensors. 12 (2), Basel, Switzerland. 1950-1966 (2012).</li>
<li>Palmre, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoporous+carbon-based+electrodes+for+high+strain+ionomeric+bending+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Smart+Materials+and+Structures%22%5BJournal%5D)">Nanoporous carbon-based electrodes for high strain ionomeric bending actuators.</a> Smart Materials and Structures. 18 (9), 095028(2009).</li>
<li>Torop, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microporous+and+mesoporous+carbide-derived+carbons+for+strain+modification+of+electromechanical+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Microporous and mesoporous carbide-derived carbons for strain modification of electromechanical actuators.</a> Langmuir. 30 (10), 2583-2587 (2014).</li>
<li>Baughman, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+Nanotube+Actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Carbon Nanotube Actuators.</a> Science. 284 (5418), 1340-1344 (1999).</li>
<li>Palmre, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electroactive+polymer+actuators+with+carbon+aerogel+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Electroactive polymer actuators with carbon aerogel electrodes.</a> Journal of Materials Chemistry. 21 (8), 2577(2011).</li>
<li>Lu, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+stable+air+working+bimorph+actuator+based+on+a+graphene+nanosheet%2Fcarbon+nanotube+hybrid+electrode%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Highly stable air working bimorph actuator based on a graphene nanosheet/carbon nanotube hybrid electrode.</a> Advanced Materials. 24 (31), 4317-4321 (2012).</li>
<li>Kong, L., Chen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+Nanotube+and+Graphene-based+Bioinspired+Electrochemical+Actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Carbon Nanotube and Graphene-based Bioinspired Electrochemical Actuators.</a> Advanced Materials. 26 (7), 1025-1043 (2014).</li>
<li>Nakshatharan, S. S., Johanson, U., Punning, A., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling%2C+fabrication%2C+and+characterization+of+motion+platform+actuated+by+carbon+polymer+soft+actuator%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators%2C+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">Modeling, fabrication, and characterization of motion platform actuated by carbon polymer soft actuator.</a> Sensors and Actuators, A: Physical. 283, 87-97 (2018).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Zaprezentowaliśmy prostą, szybką, powtarzalną i wszechstronną metodę wytwarzania jonowo-elektromechanicznie aktywnego kompozytu do różnych zastosowań siłowników, a z niewielkimi modyfikacjami również do zastosowań związanych z magazynowaniem energii, zbieraniem33 lub wykrywaniem34 . Obecna metoda koncentruje się na membranach z integralnym elementem pasywnym i chemicznie obojętnym (np. siecią polimerową wzmocnioną tkaniną lub wysoce porowatą membraną teflonową, patrz również rysunek 3), ponieważ takie membrany znacznie upraszczają proces przygotowania siłownika również na dużą skalę. Co więcej, powstałe membrany mają mniejsze ryzyko pęcznienia i wyboczenia z powodu rozpuszczalników (lub elektrolitu) w zawiesinie elektrody lub tworzenia się gorących punktów zwarć w porównaniu z wieloma innymi popularnymi metodami i materiałami do produkcji siłowników.
Krytycznymi etapami przygotowania laminatu siłownika pojemnościowego są przygotowanie membrany, produkcja elektrod, zamocowanie odbieraka prądu, cięcie i styk (ilustracja 2). Każdy z tych kroków pozostawia miejsce na dostosowanie i optymalizację wydajności, ale także na błędy. W następnej sekcji omówimy bardziej szczegółowo korzystne modyfikacje i strategie rozwiązywania problemów związane z tą metodą wytwarzania. Wysokowydajny kompozyt wynika z wzajemnego oddziaływania kilku kluczowych aspektów, o których należy pamiętać: wystarczająca przewodność elektronowa wzdłuż elektrody (dodać złoty kolektor prądu do elektrod węglowych); wystarczająca przewodność jonowa przez membranę (użyj cienkiej porowatej membrany i wystarczającej ilości elektrolitu o niskiej lepkości, zmniejsz ryzyko niekorzystnych interakcji między membraną a elektrolitem dzięki zastosowaniu obojętnej sieci polimerowej); duża powierzchnia elektrody (wybrać odpowiedni rodzaj węgla); dostosowane elektrolity, które powodują asymetryczne pęcznienie/kurczenie się elektrod (wybierz odpowiedni elektrolit); parametry mechaniczne (moduły Younga składowych). Te główne aspekty wysokowydajnego siłownika na bazie węgla są również podkreślone na rysunku 1B.
Centralną częścią tego kompozytu jest membrana o wysokiej wydajności. Ma dwa zadania: zapobiegać przewodności elektronowej (zwarciom) między elektrodami, jednocześnie umożliwiając wysoką przewodność jonową. Modyfikacje membrany mogą służyć kilku celom, na przykład integracji narzędzi wprowadzonej przez Must i wsp.24 lub dodaniu nowych właściwości (np. biokompatybilności, biodegradowalności lub różnych właściwości mechanicznych). Obecna metoda wytwarzania może zostać zmodyfikowana w celu wykorzystania innych polimerów i elektrolitów w membranie w celu wprowadzenia nowych właściwości do aktywnego laminatu. Podobnie jak w przypadku strategii doboru rozpuszczalników wprowadzonej tutaj dla siłowników wzmocnionych tkaniną, zaleca się wybór gorszych rozpuszczalników do późniejszej produkcji elektrod w porównaniu z preparatem membranowym. Dzięki temu membrana pozostaje funkcjonalna i nienaruszona również po dodaniu elektrod.
Na wydajność uruchamiania końcowego kompozytu ma wpływ wybrany materiał elektrody (węgiel), elektrolit i ewentualnie ich wzajemna kompatybilność. Protokół ten wprowadza wytwarzanie laminatów pojemnościowych na bazie węgla przy użyciu węgla pochodzącego z węglika boru i cieczy jonowej 1-etylo-3-metyloimidazolium trifluorometanosulfonianu ([EMIM][OTf]). Ten sam protokół można jednak zaadaptować do innych materiałów węglowych o dużej powierzchni właściwej, takich jak węgle pochodzące z węglików z innych źródeł (np. TiC35, SiC lub Mo2C36), nanorurki węglowe 8,37, aerożel węglowy38 lub grafen39 i inne, które również zostały niedawno poddane przeglądowi40. Co więcej, w przygotowaniu siłownika można zastosować również inne elektrolity. Uzyskanie funkcjonalnego kompozytu nie ogranicza się do typów węgla i cieczy jonowych przedstawionych w tym protokole. Wielkość cząstek węgla, ich ewentualna aglomeracja w zawiesinie elektrody oraz lepkość zawiesiny są bardziej istotnymi parametrami w procesie powlekania natryskowego.
Metoda ta umożliwia wytwarzanie elektromechanicznie aktywnego materiału laminowanego o powtarzalnych właściwościach w dużych ilościach. Miniaturyzacja siłowników wykonanych z tego materiału odbywa się głównie za pomocą precyzyjnego cięcia (np. rysunek 3C). Alternatywne metody przygotowania drobnych struktur, takie jak maskowanie i modelowanie, są możliwe podczas powlekania natryskowego41. Co więcej, struktury w skali milimetrowej mogą być również wzorowane na kolejnym kroku mocowania złotego kolektora prądu. Jednak w skali submilimetrowej może to stać się dość trudne. Inne typy siłowników lub siłowników na bazie węgla bez złotych kolektorów prądu mogą być łatwiejsze do przygotowania, jeśli cechy wzorcowe muszą znajdować się w skali mikrometrycznej.
Siłowniki z natury miękkie, które reagują na bodźce elektryczne, mają wiele zalet dzięki miękkiemu i podatnemu charakterowi, cichej pracy i niskim wymaganym poziomom napięcia. Obecny protokół pokazuje, jak produkować taki materiał w większych ilościach i z wysoką powtarzalnością między partiami i wewnątrz partii bez uszczerbku dla wydajności uruchamiania. W przyszłości przewiduje się modyfikacje obecnej metody w celu włączenia bardziej przyjaznych dla biologii, a być może także biodegradowalnych komponentów, które umożliwiłyby działanie w pobliżu lub wewnątrz organizmów żywych, a także skuteczne podejścia do całkowitej enkapsulacji, a także integrację wprowadzonego materiału aktywnego z miękkimi urządzeniami robotycznymi lub biomedycznymi.

Jonowe polimery aktywno-elektromechaniczne lub kompozyty polimerowe to z natury miękkie i podatne materiały, które budzą coraz większe zainteresowanie w różnych zastosowaniach w dziedzinie miękkiej robotyki oraz biomimetyki (np. jako siłowniki, chwyty lub roboty bioinspirowane1,2). Ten rodzaj materiału reaguje na sygnały elektryczne w zakresie kilku woltów, co ułatwia ich integrację z konwencjonalną elektroniką i źródłami zasilania3. Dostępnych jest wiele różnych rodzajów materiałów bazowych dla siłowników jonowych, co zostało szczegółowo opisane w innych opracowaniach4, a także w publikacjach z ostatniego okresu5. Ponadto w ostatnim czasie szczególnie podkreślano, że rozwój urządzeń miękkiej robotyki będzie ściśle powiązany z rozwojem zaawansowanych procesów wytwarzania odpowiednich materiałów aktywnych i komponentów6. Co więcej, w poprzednich badaniach opartych na metodologii zwrócono uwagę na znaczenie wydajnego i dobrze ustanowionego schematu procesu przygotowania powtarzalnych siłowników, które mają potencjał do przejścia z etapu laboratoryjnego do przemysłowego7.
W ciągu ostatnich dziesięcioleci opracowano lub zaadaptowano wiele metod wytwarzania do przygotowania aktuatorów (np. odlewanie warstwa po warstwie8 i prasowanie na gorąco9,10, impregnację z redukcją1, malowanie12,13, naparowywanie i późniejszą syntezę elektrochemiczną14,15, druk atramentowy16 oraz powlekanie wirowaniem17); niektóre metody są bardziej uniwersalne, a inne bardziej ograniczające pod kątem doboru materiałów. Jednak wiele z obecnych metod jest dość skomplikowanych i/lub bardziej odpowiednich do wytwarzania w skali laboratoryjnej. Niniejszy protokół koncentruje się na szybkiej, powtarzalnej, niezawodnej, możliwej do zautomatyzowania i skalowalnej metodzie wytwarzania aktuatorów w celu produkcji aktywnych laminatów o niskiej zmienności między partiami i w obrębie partii oraz długiej żywotności aktuatora18. Metoda ta może być wykorzystana przez naukowców zajmujących się materiałami do opracowania wysokowydajnych aktuatorów dla następnej generacji aplikacji bionicznych. Ponadto stosowanie tej metody bez modyfikacji zapewnia inżynierom robotyki miękkiej oraz nauczycielom aktywny materiał do rozwoju i prototypowania nowych urządzeń lub do nauczania koncepcji robotyki miękkiej.
Jonowe polimery aktywno-elektromechaniczne lub aktuatory polimerowe są zazwyczaj wykonane z dwu- lub trójwarstwowych kompozytów laminowanych i wyginają się w odpowiedzi na stymulację elektryczną w zakresie kilku woltów (Ryc. 1). Ten ruch zginający jest spowodowany efektami pęcznienia i kurczenia się warstw elektrod i zazwyczaj wynika albo z reakcji faradycznych (redoks) na elektrodach (np. w przypadku polimerów aktywno-elektromechanicznych (EAPs), takich jak polimery przewodzące), albo z ładowania pojemnościowego warstwy podwójnej (np. w polimerowych elektrodach na bazie węgla, gdzie polimer może pełnić jedynie rolę spoiwa). W niniejszym protokole (Ryc. 2) skupiamy się na tym drugim przypadku; przedstawiamy wytwarzanie kompozytu aktywno-elektromechanicznego, który składa się z dwóch elektrod przewodzących prąd elektrycznie na bazie węgla o wysokiej powierzchni właściwej, rozdzielonych obojętną membraną jonoprzewodzącą, która ułatwia ruch kationów i anionów między elektrodami – jest to konfiguracja bardzo podobna do superkondensatorów. Ten typ aktuatora wygina się w odpowiedzi na pojemnościowe ładowanie/rozładowanie, a wynikające z tego pęcznienie/kurczenie się elektrod przypisuje się zazwyczaj różnicom w objętości i ruchliwości kationów oraz anionów elektrolitu8,10,19. O ile jako materiał aktywny nie zostanie zastosowany węgiel funkcjonalizowany powierzchniowo lub kompozyt pojemnościowy nie będzie używany poza oknem potencjału stabilności elektrochemicznej elektrolitu, nie spodziewa się wystąpienia reakcji faradycznych na tego typu elektrodach20. Brak reakcji faradycznych jest głównym czynnikiem sprzyjającym długiej żywotności tego materiału aktuatorowego (tj. tysiące cykli w powietrzu8,18 wykazanych dla różnych aktuatorów pojemnościowych).
<img alt="Schemat struktury elektrody; przedstawia ciecz jonową, szczelność membrany oraz ścieżki przewodnictwa." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig1v4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rycina 1: Struktura aktuatora na bazie węgla w stanie neutralnym (A) oraz w stanie wzbudzonym (B). (B) podkreśla również kluczowe cechy determinujące wydajność siłownika jonowego. Uwaga: rysunek nie jest wykonany w skali. Rozmiar jonów został powiększony w celu zilustrowania najczęściej przywoływanego mechanizmu aktywacji, występującego w przypadku membrany obojętnej, która umożliwia mobilność zarówno anionów, jak i kationów elektrolitu (np. cieczy jonowej). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig1v4large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Uzyskanie funkcjonalnej membrany, która pozostaje nienaruszona przez cały proces wytwarzania, jest jednym z kluczowych etapów prawidłowego przygotowania siłownika. Wysokowydajna membrana dla siłownika powinna być jak najcieńsza i umożliwiać przewodnictwo jonowe między elektrodami, jednocześnie blokując jakiekolwiek przewodnictwo elektronowe. Przewodnictwo jonowe w membranie może wynikać z połączenia elektrolitu z obojętną siecią porowatą (np. podejście zastosowane w niniejszym protokole) lub z użycia specyficznych polimerów z kowalencyjnie związanymi jednostkami zjonizowanymi lub innymi grupami umożliwiającymi oddziaływania z elektrolitem. Pierwsze podejście jest tutaj preferowane ze względu na prostotę, podczas gdy specjalnie dostosowane oddziaływania między elektrolitem a siecią polimerową mogłyby również przynieść korzyści, pod warunkiem wykluczenia niekorzystnych interakcji (np. blokowania lub znacznego spowalniania ruchu jonów w wyniku oddziaływań). Szeroki wybór membran jonomerycznych lub innych membran aktywnych dla siłowników aktywnych elektromechanicznie oraz wynikające z nich mechanizmy aktywacji zostały niedawno opisane w przeglądzie literatury21. Wybór membrany, obok wyboru elektrody, odgrywa kluczową rolę w wydajności, żywotności i mechanizmie działania siłownika. Niniejszy protokół koncentruje się głównie na membranach obojętnych, które zapewniają porowatą strukturę dla migracji jonów (jak pokazano na Rysunku 1), choć niektóre części protokołu (np. opcja membrany C) mogą okazać się korzystne również w przypadku membran aktywnych.
Oprócz wyboru materiału membrany, istotną rolę w uzyskaniu funkcjonalnego separatora do kompozytu odgrywa również metoda jej wytwarzania. Stosowane wcześniej membrany odlewane mają tendencję do topnienia podczas późniejszego etapu prasowania na gorąco, co może prowadzić do powstawania punktów przegrzania powodujących zwarcia2. Co więcej, komercyjne membrany jonomerowe (np. Nafion) wykazują tendencję do znacznego pęcznienia i odkształcania się pod wpływem rozpuszczalników stosowanych w późniejszych etapach produkcji12, a niektóre polimery (np. celuloza23) mogą w pewnym stopniu rozpuszczać się w niektórych cieczach jonowych, co może powodować problemy z powtarzalnością procesu wytwarzania i skutkować niską jednorodnością elektrod. Dlatego niniejszy protokół koncentruje się na aktuatorach z integralnym, pasywnym i chemicznie obojętnym komponentem w membranie (np. włókno szklane lub jedwab z PVDF lub PTFE), który zapobiega pęcznieniu i odkształcaniu się kompozytu w późniejszych etapach produkcji oraz zapobiega powstawaniu punktów przegrzania powodujących zwarcia. Ponadto dodanie obojętnego i pasywnego komponentu znacznie upraszcza proces produkcji i umożliwia przygotowanie większych partii materiału w porównaniu do metod tradycyjnych.
Zastosowanie pasywnego wzmocnienia w membranie zostało po raz pierwszy wprowadzone przez Kaasika i wsp..18 w celu rozwiązania wspomnianych wyżej problemów w procesie produkcji siłowników. Wprowadzenie tkanego wzmocnienia tekstylnego (patrz również Rysunek 3B i 3D) umożliwia ponadto integrację narzędzi z aktywnym kompozytem24 lub opracowanie inteligentnych tkanin18. W związku z tym opcja C membrany w protokole jest bardziej odpowiednia do takich zastosowań. Jednak w przypadku miniaturowych siłowników (w skali poniżej milimetra) stosunek komponentu pasywnego do aktywnego w membranie staje się coraz mniej korzystny, a zastosowanie uporządkowanego wzmocnienia tekstylnego może zacząć negatywnie wpływać na wydajność siłownika oraz powtarzalność między próbkami. Ponadto kierunek wzmocnienia (wzdłuż lub na ukos w stosunku do kierunku zginania) może w nieprzewidywalny sposób wpływać na działanie siłowników o bardziej złożonych kształtach. Dlatego w przypadku miniaturowych siłowników i bardziej złożonych kształtów siłowników korzystniejsza byłaby mniej uporządkowana i wysoce porowata struktura obojętna.
Politetrafluoroetylen (PTFE, znany również pod nazwą handlową Teflon) jest jednym z najbardziej obojętnych polimerów znanych do dziś. Zazwyczaj jest on silnie hydrofobowy, jednak istnieją wersje poddane obróbce powierzchniowej, które czynią go hydrofilowym, co ułatwia ich zastosowanie w produkcji siłowników. Rysunek 3A przedstawia losową strukturę obojętnej hydrofilowej membrany filtracyjnej z PTFE, która została wykorzystana w niniejszym protokole do przygotowania siłownika. Oprócz jednorodności tego materiału we wszystkich kierunkach, co jest korzystne przy wycinaniu zminiaturyzowanych siłowników lub kształtów złożonych, zastosowanie komercyjnej membrany filtracyjnej o kontrolowanej porowatości dodatkowo upraszcza proces produkcji siłowników, niemal całkowicie eliminując potrzebę przygotowania membrany. Co więcej, uzyskanie grubości membrany na poziomie 30 µm jest niezwykle trudne w wcześniej opisanej konfiguracji wzmocnionej tekstyliami. Dlatego w większości przypadków należy preferować metody produkcji siłowników opartych na PTFE (opcje A i B) z niniejszego protokołu, biorąc pod uwagę ponadto, że opcja A jest szybsza, natomiast siłowniki wykonane przy użyciu opcji B wykazują większe odkształcenia (w zakresie częstotliwości przedstawionym na Rysunku 4B). Miękki chwytak przedstawiony w sekcji reprezentatywnych wyników został również przygotowany przy użyciu membrany PTFE uprzednio namoczonej w elektrolycie.
Po przygotowaniu funkcjonalnej membrany protokół kontynuowany jest poprzez przygotowanie elektrod i przymocowanie kolektora prądu. Elektrody na bazie węgla nanosi się metodą natryskową – jest to uznana w przemyśle procedura, która pozwala na wysoką kontrolę nad grubością powstającej warstwy elektrodowej. Metoda natryskowa pozwala na uzyskanie bardziej jednolitych elektrod w porównaniu na przykład z metodą odlewania (lub ewentualnie innymi metodami mokrymi), w których znane jest zjawisko sedymentacji cząstek węgla podczas suszenia filmu25.
Laminat pojemnościowy jest aktywny już po naniesieniu elektrod węglowych. Jednakże, zastosowanie złotych kolektorów prądu pozwala na uzyskanie siłowników o rząd wielkości szybszych26. Kolejnym istotnym krokiem w protokole jest mocowanie kolektorów prądu w stanie rozciągniętym odpowiedniej elektrody (tzn. gdy kompozyt jest wygięty). W rezultacie, w neutralnym, płaskim stanie siłownika, złota folia ulegnie pofałdowaniu w skali submilimetrowej. Podejście oparte na buforowaniu poprzez pofalowanie (buckling)27 umożliwia uzyskanie większych odkształceń bez pękania, niż byłoby to możliwe w przypadku cienkiej (~10 nm) blachy metalowej.
Wszystkie etapy produkcji siłownika (przygotowanie membrany, natryskiwanie elektrod, mocowanie kolektora prądu) podsumowano również na Rysunku 2. W celu zademonstrowania charakterystyki wydajności przygotowaliśmy chwytak, który w sposób poddajny chwyta, trzyma i uwalnia obiekt o przypadkowym kształcie i przypadkowej teksturze powierzchni. Bardziej proste geometrie, takie jak próbki prostokątne o stosunku boków 1:4 lub wyższym (np. 4 mm do 20 mm lub nawet 1 mm do 20 mm28), wycięte z materiału aktywnego i zamocowane w pozycji wspornikowej, są również bardzo typowe dla charakterystyki materiałów lub innych zastosowań wykorzystujących zachowanie typu zginania.
Artykuł kończy się krótkim wprowadzeniem do typowych technik charakterystyki i rozwiązywania problemów w przypadku jonowych materiałów pojemnościowych aktywnych elektromechanicznie, przy zastosowaniu prostszej prostokątnej geometrii aktuatora. Pokazujemy, jak wykorzystać powszechne techniki charakterystyki elektrochemicznej, takie jak woltametria cykliczna (CV) i spektroskopia impedancji elektrochemicznej (EIS), aby dokładniej scharakteryzować i zdiagnozować materiał aktuatora. Wizualizacja kompozytu w skali submilimetrowej została wykonana za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), do której przygotowania próbek zastosowaliśmy technikę krio-złamania. Polimerowa natura materiału utrudnia uzyskanie wyraźnych przekrojów przy użyciu zwykłego cięcia. Jednak łamanie zamrożonych próbek pozwala na uzyskanie dobrze zdefiniowanych przekrojów.
<img alt="Schemat wytwarzania membrany separacyjnej; powłoka z żelu polimerowego; montaż elektrody w cieczy jonowej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig2v4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Przegląd procesu wytwarzania. Najważniejsze etapy zostały wyróżnione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig2v4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

<table><tbody><tr><td>~150 &mikro; m grube złote płytki do niestandardowych kontaktów</td><td>lokalny jubiler</td><td></td><td>99,9% czystości (24K)</td></tr><tr><td>1-etylo-3-metyloimidazolium trifluorometanosulfonian ([EMIM][OTf])</td><td>Soltionic</td><td></td><td>99,5%</td></tr><tr><td>100 ml Kolba</td><td></td><td></td><td></td>Erlenmeyera</tr><tr><td>4-metylo-2-pentanon (MP)</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>&ge; 99%</td></tr> <tr><td>aceton</td><td></td><td></td><td>waga</td></tr><tr><td>analityczna</td> klasy technicznej <td>Mettler Toledo AB204-S / PH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>proszek węglowy</td><td>Y Węgiel</td><td></td><td>węgiel pochodzący z węglika boru, wielkość cząstek < 10 &mikro; m, powierzchnia właściwa 1800 m2/g, objętość porów 0,5 cm3/g</td></tr><tr><td>proszek węglowy</td><td>Skeleton Technologies</td><td></td> Okrągłe magnesy <td>krążkowe węglowe na bazie węglika tytanu</td></tr><tr><td>(neodym) do niestandardowych kontaktów</td><td>lokalny magazyn</td><td></td> sprzętu <td>d = 2 mm, grubość 1 mm</td></tr><tr><td>dopływ sprężonego powietrza do aerografu</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>zaciski krokodylkowe ze szczękami odizolowanymi od siebie (klipsy Kelvina)</td><td>lokalny sklep</td><td></td> z narzędziami <td>Opcjonalnie do tworzenia niestandardowych kontaktów. Zwykłe zaciski krokodylkowe nie są odpowiednie, ponieważ tam szczęki są połączone ze sobą na sprężynie.</td></tr><tr><td>jednorazowy kubek</td><td></td><td></td><td></td>piankowy</tr><tr><td>klej epoksydowy</td><td>lokalny sklep</td><td></td> z narzędziami <td>preferaby szybko utwardzalna żywica epoksydowa do mocowania złotych styków do magnesów</td></tr><tr><td>bibuła filtracyjna do suszenia</td><td>Munktell, Filtrak</td><td></td><td>np. średnica 150 mm i większa, jeśli używany jest arkusz PTFE 142 mm.</td></tr><tr><td>pęseta płaska,</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>szklany lejek</td><td></td><td></td><td></td></tr>, <tr><td>płatki złota na arkuszach transferowych</td>, <td>Giusto Manetti, Battiloro</td><td></td><td>24K</td></tr>, <tr><td>szklana suszarka z</td><td></td><td></td><td></td>podziałką</tr>, <tr><td>suszarka do włosów lub opalarka</td><td>, np. żarówka</td> na podczerwień Philips<td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>,</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ciekły azot</td><td></td><td></td><td>UWAGA: Nigdy nie zamykaj szczelnie pokrywy pojemnika z ciekłym azotem. Wzrost ciśnienia może spowodować poważne obrażenia.</td></tr><tr><td>mieszadło magnetyczne / płyta</td><td></td><td></td><td></td>grzejna</tr><tr><td>mieszadło magnetyczne pręty</td><td></td><td></td> o <td>długości około 1 cm</td></tr><tr><td>rura</td><td></td><td></td> metalowa<td>, np. d = 3 cm</td></tr><tr><td>, linijka metalowa,</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>mikrometryczny miernik grubości</td><td>Mitotuyo</td><td></td><td>zakres 0-25&nbsp; mm, dokładność 0,001&nbsp; mm</td></tr><tr><td>N,N-dimetyloacetamid (DMAc)</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>99,5%</td></tr><tr><td>paintbursh</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>plastikowe tamborki do haftu</td><td>np. Kucyk</td><td></td><td>wybierz średnicę w zależności od żądanej wielkości partii (np. 7,5 cm do 25 cm)</td></tr><tr><td>plastikowe pipety Pasteura laboratoryjna</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>folia stretch na bazie polietylenu</td><td>DuraSeal</td><td></td><td></td></tr><tr><td>polifluorek winylidenu-co-heksafluoropropylen (PVDF-HFP)</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>Mn = 130000, Mw = 400000</td></tr><tr><td>polifluorek winylidenu (PVDF)</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>Mw (g/mol) = 534000</td></tr><tr><td>potencjostat/galwanostat/FRA</td><td>PARSTAT 2273</td><td></td><td>potrzebny do charakterystyki elektrochemicznej</td></tr><tr><td>węglanu propylenu (PC)</td><td>Merck</td><td></td><td>99%</td></tr><tr><td>PTFE membrana filtracyjna</td><td>Omnipore</td><td>JVWP14225</td><td>0,1 & mikro; m wielkość porów, hydrofilowy, 142&nbsp; mm średnicy, 30&nbsp; &mikro; m grubość, porowatość 80% Porowatość</td></tr><tr><td>Membrana filtracyjna PTFE</td><td>Omnipore</td><td>JGWP14225</td><td>0,2 & mikro; m wielkość porów, hydrofilowy, 142&nbsp; mm średnicy, 65&nbsp; &mikro; m grubość, 80% porowatości</td></tr><tr><td>skalpel</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>taśma</td><td></td><td></td><td></td>klejąca</tr><tr><td>jedwab (tkanina tkana)</td><td>Esaki Model Manufacturing</td><td>#3</td><td>11,5 g/m2sprzęt</td></tr> <tr><td>lutowniczy</td><td>lokalny sklep</td><td></td> z narzędziami <td>Do podłączenia ~150 &micro; m złote płytki do klipsów</td></tr><tr><td>pistolet natryskowy, aerograf</td><td>Iwata HP TR-2</td><td></td><td></td></tr><tr><td>napylacz napylany</td><td>Leica EM ACE600</td><td></td><td></td></tr><tr><td>stołowy skaningowy mikroskop elektronowy</td><td>Hitachi TM3000</td><td></td><td></td></tr> procesor <tr><td>ultradźwiękowy</td><td>Hielscher UP200S</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

produkcja jonowych, elektromechanicznie aktywnych miękkich siłowników na bazie węgla

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Jonowe elektromechanicznie aktywne laminaty pojemnościowe to rodzaj inteligentnego materiału, który porusza się w odpowiedzi na stymulację elektryczną. Ze względu na miękki, podatny i biomimetyczny charakter tego odkształcenia, siłowniki wykonane z laminatu cieszą się rosnącym zainteresowaniem w miękkiej robotyce i zastosowaniach (bio)medycznych. Jednak do transferu wiedzy z laboratorium do przemysłu potrzebne są metody łatwego wytwarzania materiału aktywnego w dużych (nawet przemysłowych) ilościach i z wysoką powtarzalnością między partiami i wewnątrz partii. Protokół ten opisuje prostą, skalowalną przemysłowo i powtarzalną metodę wytwarzania elektromechanicznie aktywnych laminatów pojemnościowych na bazie węgla jonowego oraz przygotowania wykonanych z nich siłowników. Włączenie pasywnej i chemicznie obojętnej (nierozpuszczalnej) warstwy środkowej (np. sieci polimerowej wzmocnionej tekstyliami lub mikroporowatego teflonu) odróżnia tę metodę od innych. Protokół jest podzielony na pięć etapów: przygotowanie membrany, przygotowanie elektrody, zamocowanie odbieraka prądu, cięcie i kształtowanie oraz uruchamianie. Postępowanie zgodnie z protokołem skutkuje materiałem aktywnym, który może, na przykład, zgodnie z przepisami chwytać i trzymać przedmiot o losowym kształcie, jak pokazano w artykule.

Głównym punktem końcowym pozwalającym odróżnić udany eksperyment od nieudanego jest reakcja materiału na sygnały elektryczne po podłączeniu do zasilacza. W inżynierii elektrycznej miedź jest powszechnie znanym materiałem do tworzenia połączeń. Jednak miedź jest również aktywna elektrochemicznie i w związku z tym nie nadaje się do tworzenia kontaktów z wprowadzonym tutaj układem jonowym. Zastosowanie miedzianych styków mogłoby spowodować zwarcia z powodu tworzenia się dendrytów w kompozycie. Co więcej, podczas charakteryzacji materiału niemożliwe jest odróżnienie prądów (i aktuacji) pochodzących z materiału elektroaktywnego od tych wynikających z aktywności elektrochemicznej miedzi29. Wykazaliśmy wcześniej, że aktuacja – choć niewiarygodna – bez żadnego dodanego materiału aktywnego (tj. bez elektrod opartych na węglu lub polimerów przewodzących) jest możliwa w przypadku mokrych membran jonomerycznych (np. Nafion) i samych miedzianych zacisków29. Dlatego wszystkie eksperymenty z materiałem aktywnym przeprowadzono tutaj wyłącznie przy użyciu inertnych styków złotych.
Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS) jest nieniszczącą metodą charakteryzacji i rozwiązywania problemów związanych z materiałem siłownika pojemnościowego przed jego użyciem. Widma impedancji na Rysunku 4C i 4D zostały zarejestrowane przy użyciu potencjostatu/galwanostatu/FRA w konfiguracji dwuelektrodowej. Próbkę (20 mm x 4 mm x 150 µm) umieszczono pomiędzy kontaktami złoconymi, amplitudę sygnału wejściowego podczas pomiaru impedancji ustawiono na 5 mVRMS, a skanowanie przeprowadzono w zakresie częstotliwości od 20 kHz do 0,01 Hz. Rysunek 4C i 4D przedstawiają typowe widma impedancji odpowiednio dla siłowników o wysokiej (~30 Ω cm2) lub niskiej (~5 Ω cm2) rezystancji wewnętrznej. Widma zarejestrowano odpowiednio dla próbki z suchą membraną PTFE oraz dla próbki z membraną namoczoną. Wyższa przewodność jonowa materiału ma tendencję do odpowiadania szybszym siłownikom i być może większemu przemieszczeniu przy tej samej częstotliwości wzbudzenia (patrz Rysunek 4B), jeżeli wszystkie pozostałe parametry (np. parametry mechaniczne) pozostaną niezmienione, a materiał w ogólności jest aktywny.
Nieniszczący charakter EIS jest szczególnie korzystny przy wykrywaniu zwarć w kompozycie. W przypadku siłowników przygotowanych zgodnie z niniejszym protokołem, zwarcia są najczęściej spowodowane pozostałościami kolektora prądu na bokach siłownika (patrz instrukcje cięcia w kroku 4.1.1) lub rzadziej wadliwą membraną (np. gdy nie wszystkie otwory w membranie wzmocnionej tekstyliami zostały zakryte zgodnie z instrukcją w sekcji 1.5). Rezystor (w tym przypadku zwarcie) byłby przedstawiony jako punkt na wykresie Nyquista w eksperymencie EIS. Zaobserwowanie takiej odpowiedzi jest jednoznacznym wskaźnikiem wadliwej próbki (patrz ryciny 4C i 4D w celu zapoznania się ze spektrami referencyjnymi funkcjonalnych siłowników pojemnościowych). Próbki ze zwarciem zazwyczaj nie będą działać. Co więcej, najczęściej stałyby się one trwale bezużyteczne z powodu nagrzewania rezystancyjnego i wynikającego z niego stopienia kompozytu podczas próby uruchomienia.
W swojej funkcjonalnej formie materiał ten jest kondensatorem dwuwarstwowym, który wykazuje ruch zginania w odpowiedzi na ładowanie i rozładowanie warstwy podwójnej, dzięki specjalnie dobranym elektrolitom zastosowanym podczas jego produkcji. Woltametria cykliczna (CV) jest szeroko stosowaną techniką w elektrochemii do badania różnych układów. Podczas eksperymentu CV potencjał elektrody roboczej (w tym przypadku jednej z elektrod siłownika) jest zmieniany względem elektrody przeciwnej (tutaj drugiej elektrody siłownika) ze stałą prędkością (np. 80 mV/s pomiędzy ±2 V), a odpowiedź prądowa układu jest rejestrowana za pomocą potencjostatu. Typowa odpowiedź prądowa laminatu pojemnościowego przedstawiona jest na Rysunku 4E. Odpowiedź prądowa próbki z nasączoną membraną PTFE (kolor ciemnoszary na 4E) przypomina odpowiedź idealnego kondensatora: prąd nie zależy od potencjału elektrody, a po odwróceniu potencjału kierunek prądu (a zatem jego znak) zmienia się (niemal) natychmiastowo, co skutkuje (prawie) prostokątnym woltamogramem. Odpowiedź prądowa próbki z początkowo suchą membraną (kolor różowy na 4E) wykazuje mniej idealne zachowanie kondensatora przy tej prędkości skanowania, prawdopodobnie ze względu na wysoką rezystancję wewnętrzną materiału (co potwierdza również EIS na Rysunku 4C). Mimo to obie próbki wykazują pojemnościowy charakter kompozytu. Z kolei jasnoszare linie na Rysunku 4E pokazują możliwe zachowanie wadliwych próbek (np. tych z krótkim zwarciem), które ściśle podążałyby za prawem Ohma.
Wydajność różnych siłowników funkcjonalnych przedstawiono na Rysunku 4A oraz Rysunku 4B. Rysunek 4A pokazuje klatki z filmu, na których 5-palczasty siłownik termoformowany chwyta, trzyma i uwalnia obiekt o nieregularnym kształcie w odpowiedzi na skokowe zmiany napięcia. Do celów charakterystyki materiałowej zazwyczaj stosuje się prostsze geometrie. Na przykład Rysunek 4B przedstawia maksymalny kąt zgięcia suchych i namoczonych siłowników z membrany PTFE28,30 w odpowiedzi na trójkątne sygnały napięcia w zakresie ±2 V. W celu charakterystyki różnych materiałów siłownikowych próbki (4 mm x 20 mm x 150 µm) umieszczano pomiędzy złotymi zaciskami w pozycji wspornikowej (pozostawiając 18 mm wolnej długości dla aktywacji), a kąt zgięcia rejestrowano za pomocą kamery wideo. Alternatywnie, zazwyczaj monitorowano w czasie ruch pojedynczego punktu wzdłuż siłownika (np. 5 mm od styków) i wykorzystywano go do obliczeń różnicy odkształceń31,32. Przetwarzanie wideo, choć bardziej złożone, dostarcza więcej informacji o całym profilu zgięcia próbki i umożliwia również ponowną analizę wydajności w późniejszym czasie, jeśli pojawi się taka potrzeba. Punkt 0,1 Hz na Rysunku 4B odpowiada dokładnie temu samemu sygnałowi, który został użyty w eksperymentach z woltametrią cykliczną na Rysunku 4E, zarówno pod względem napięcia aktywacji, jak i częstotliwości aktywacji. Zastosowanie tego samego sygnału do charakterystyki i aktywacji pozwala nam na przykład wyciągnąć wnioski dotyczące pojemnościowej natury materiału oraz stabilności i braku reakcji elektrochemicznych podczas aktywacji.
Metody elektrochemiczne (EIS, CV), wizualizacja struktury aktuatora w skali (zazwyczaj) mikrometrycznej (SEM) oraz charakterystyka przemieszczenia to najpowszechniejsze metody charakteryzacji aktuatorów jonowych i oceny powodzenia procesu wytwarzania. Często jednak opracowuje się dedykowane eksperymenty w celu oceny wydajności aktuatora w bardziej specyficznych zastosowaniach (np. zdolności do przenoszenia obciążenia).
<img alt="Obrazy SEM struktury membrany z elektrodami; przekroje poprzeczne i szczegóły powierzchni." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Obrazowanie. Mikrografie z pomiaru skaningowego elektronowego przedstawiające wysoce porowatą membranę PTFE (A) oraz przekrój poprzeczny siłownika wykonanego z tej samej membrany, który nie wykazuje delaminacji (C). Mikrografia SEM przedstawiająca przekrój poprzeczny siłownika wzmocnionego tekstyliami (D) oraz fotografia optyczna odpowiadającego wzmocnienia jedwabnego (BPróbki do przekrojów SEM poddano najpierw kriopękaniu w ciekłym azocie, zamocowano w metalnym uchwycie do próbek, a następnie napylono na nie 5 nm złota za pomocą napylacza w celu uzyskania lepszej rozdzielczości. Do obrazowania wykorzystano nadblatowy skaningowy mikroskop elektronowy przy napięciu przyspieszającym 15 keV. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Aktywacja elektromechaniczna; wykresy przedstawiają kąt zgięcia w funkcji częstotliwości, impedancję oraz zależności napięcie-prąd." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 4"> 
Rysunek 4: Reprezentatywne wyniki działania siłownika. (A) Skoki napięcia i odpowiadające im obrazy pięcioramiennego chwytaka elastycznie chwytającego obiekt o przypadkowym kształcie (siłownik bez kontaktów 21 mg; obciążenie z pianki polistyrenowej 17,8 mg); (B) całkowity kąt zgięcia 4 mm x 20 mm x 150 µm Aktuatory na bazie PTFE zaciśnięte pomiędzy złotymi kontaktami (wolna długość 18 mm) w odpowiedzi na trójkątny sygnał sterujący (±2 V) przy różnych częstotliwościach sterowania (n=3, słupki błędów reprezentują jedno odchylenie standardowe średniej); (C i D) typowe widma impedancji elektrochemicznej elektromechanicznie aktywnych laminatów pojemnościowych (5 mVRMS (wartość skuteczna) amplituda sygnału); (E) typowa woltamperometria cykliczna laminatów pojemnościowych (trójkątny sygnał wzbudzenia z szybkością skanowania 80 mV/s, co odpowiada punktom 0,1 Hz w B). Szare linie na woltamperogramach cyklicznych służą do porównania i przedstawiają odpowiedź potencjalnie wadliwego siłownika (w zasadzie rezystora), który ściśle odpowiadałby prawu Ohma. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Proces suszenia odśrodkowego; schemat i układ doświadczalny dla rotacji osi, przepływu powietrza i przeciwwagi." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Suszenie wirowaniem podczas przygotowywania membrany. (A) schematy układu (B) obraz zestawu z przymocowaną ramką z wzmocnieniem. Podczas suszenia wirowego siła odśrodkowa kieruje pozostały rozpuszczalnik w warstwie membrany w stronę krawędzi ramki. Może to być korzystne w celu przyspieszenia procesu suszenia. Jednak w przypadku całkowicie mokrych membran może to doprowadzić do utraty materiału aktywnego (polimeru i cieczy jonowej), czego należy zatem unikać. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig5large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić większą wersję tego rysunku, kliknij tutaj.</a>

Ten artykuł opisuje szybki i prosty proces produkcji jonowych, elektromechanicznie aktywnych materiałów kompozytowych do siłowników w zastosowaniach biomedycznych, biomimetycznych i miękkiej robotyki. Szczegółowo opisano kluczowe etapy wytwarzania, ich znaczenie dla końcowych właściwości siłowników oraz niektóre z głównych technik charakteryzacji.

Produkcja jonowych, elektromechanicznie aktywnych miękkich siłowników na bazie węgla

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...

Protokół ten opisuje wytwarzanie elektromechanicznie aktywnego materiału na bazie węgla do zastosowań biomedycznych i miękkiej robotyki. Główną zaletą tej metody jest to, że umożliwia ona powtarzalne wytwarzanie siłowników jonowych również w dużych ilościach. Obejrzenie tego filmu powinno dać ci dobre zrozumienie, jak wytwarzać i używać siłowników jonowych.Protokół podzielony jest na pięć kroków. Najpierw przygotowuje się membranę przewodzącą jony. Następnie jest on pokryty elektrodami na bazie węgla, do których przymocowane są złote kolektory prądu.Po pocięciu próbki do kształtu, materiał jest gotowy do użycia. Na początek wybierz między membraną tri-PTFE, tą samą membraną nasączoną elektrolitem lub membraną wzmocnioną tekstylnie. Każda opcja skutkuje funkcjonalnym siłownikiem.Zapoznaj się z tekstem, aby uzyskać pomoc dotyczącą wyboru. Materiał przygotowywany jest za pomocą ramy. Weź arkusz PTFE o wysokiej porowatości i umieść go na ramie.Napnij i przymocuj arkusz do ramy. Uważaj, aby nie uszkodzić suchej membrany. Gdy membrana będzie gotowa, przejdź do etapu produkcji elektrody.Weź dużą szalkę Petriego i umieść w niej arkusz PTFE o wysokiej porowatości. Dodaj nadmiar płynu jonowego. Upewnij się, że cały arkusz jest zakryty.Gdy membrana jest wystarczająco nasączona, usuń jej nadmiar za pomocą pipety. Ostrożnie umieść membranę między bibułami filtracyjnymi, aby usunąć pozostałą ciecz jonową, która nie została wchłonięta przez arkusz PTFE. Powtarzaj ten proces, aż arkusz będzie półprzezroczysty, ale nie mokry.Napnij i przymocuj nasączoną membranę na plastikowej ramie. Upewnij się, że unikasz zmarszczek i fałd. Teraz, gdy membrana jest gotowa, przejdź od razu do etapu produkcji elektrody.Weź tkaninę z drobnymi obojętnymi włóknami i przymocuj ją do ramy. Upewnij się, że dobrze go napinasz. Przytnij nadmiar materiału za pomocą nożyczek.Ostrożnie usuń wszelkie luźne włókna. Podczas pracy pod wyciągiem przykryj tkaninę cienką warstwą roztworu membrany. Zobacz tekst, aby zapoznać się z dokładnym przepisem.Pozostaw pierwszą warstwę do całkowitego wyschnięcia. Najpierw użyj opalarki, a później opalarki wraz z dedykowaną konfiguracją, aby przyspieszyć proces suszenia. Unikaj używania zbyt dużej prędkości wirowania na całkowicie mokrej membranie, ponieważ może to spowodować utratę materiału aktywnego.Więcej informacji można znaleźć w tekście. Sprawdź, czy membrana jest pod kątem podświetlenia, czy nie ma otworów. Kontynuuj nakładanie warstw powłoki, aż do uzyskania membrany wolnej od wad.Kolejne warstwy membrany należy dodawać ze szczególną ostrożnością. Nakładaj cienkie warstwy, jak to możliwe i nigdy nie przechodź dwa razy po już mokrych powierzchniach. Nakładaj warstwy po obu stronach.W ten sposób zbrojenie pozostanie w środku kompozytu. Pozostaw jedną warstwę do wyschnięcia przed dodaniem kolejnej. Po uzyskaniu membrany wolnej od wad należy sprawdzić jej grubość za pomocą miernika grubości.Obecnie są to 54 mikrometry. W szczelnie zamkniętej kolbie rozpuścić polimer w rozpuszczalniku, mieszając przez noc w temperaturze 70 stopni Celsjusza za pomocą mieszadła magnetycznego i płyty grzejnej o kontrolowanej temperaturze. Zobacz tekst, aby zapoznać się z dokładnym przepisem.Do innej kolby zważyć proszek węglowy, dodać ciecz jonową, rozpuszczalnik i mieszadło magnetyczne. Zamknąć kolbę i wymieszać. Gdy zawiesina węglowa ulegnie homogenizacji, a polimer się rozpuści, przymocuj lub usuń kulkę magnetyczną i wlej roztwór polimeru do zawiesiny węglowej.Użyj 10 mililitrów rozpuszczalnika, aby usunąć pozostałości polimeru ze ścianek kolby i dodaj je do zawiesiny węglowej. Homogenizować zawiesinę za pomocą sondy ultradźwiękowej. Następnie zawiesina jest gotowa do użycia lub przechowywania.Napełnij zbiornik pistoletu natryskowego lub szczotki powietrznej acetonem. Najpierw przetestuj przepływ na kartce papieru. Upewnij się, że szczotka powietrzna jest czysta i wolna od zatorów.Podczas przechowywania zawiesina może zamienić się w żel. Wymieszaj go w zamkniętym naczyniu w temperaturze 70 stopni Celsjusza, aby uzyskać płyn. Napełnij zbiornik szczotki powietrznej zawiesiną elektrody.Najpierw przetestuj przepływ zawiesiny na kartce papieru. Weź przygotowaną membranę. Rozpocznij przesuwanie pistoletu natryskowego przed rozpoczęciem natryskiwania.Utrzymuj pistolet w ruchu prostymi pociągnięciami. Pozostaw jedną stronę do wyschnięcia, zanim zaczniesz spryskiwać drugą. Spryskiwać aż do osiągnięcia żądanej grubości.Ostrożnie usuń materiał z ramy. Jeśli użyto membrany wzmocnionej tkaniną, wyrównaj cięcie z włóknami. Wytnij kawałek o wymiarach cztery na trzy centymetry za pomocą metalowej linijki i skalpela.Ten rozmiar cięcia jest najwygodniejszy w przypadku małych i średnich partii. Nie jest to jednak kluczowe dla uzyskania sprawnych siłowników. Weź metalową rurkę lub rurę i przymocuj do niej wycięty kawałek.Staraj się zachodzić taśmą tylko na około jeden milimetr materiału siłownika. Weź arkusz drobnego złota na papierze transferowym i pokrój go na cztery na cztery centymetrowe kawałki. Umieść jeden z nich na bibułce.Spryskaj kompozyt cienką warstwą kleju. Zobacz tekst, aby zapoznać się z dokładnym przepisem. Szybko przechowuj szczotkę powietrzną w pozycji pionowej.Przetocz fajkę po złotym liściu, gdy klej jest jeszcze mokry. Do walcowania nie jest potrzebny nadmierny nacisk. Usuń transfer i ponownie przetocz bibułę, aby upewnić się, że złoto jest prawidłowo przymocowane.Umieść materiał do wyschnięcia. Po wyschnięciu ostrożnie usuń taśmę, aby uwolnić materiał z rury. Wyczyść rurę acetonem.Zamocuj materiał na rurze, stroną pokrytą złotem skierowaną w stronę rury. Następnie powtórz kroki, aby podłączyć kolektor prądu również po drugiej stronie. Zwróć uwagę na boki, które zostały pokryte taśmą.Wytnij prostokąty lub bardziej złożone kształty. Próbka o wymiarach 4 na 20 milimetrów jest dobra do charakteryzacji. Wyrównaj długość próbki z kierunkiem zakrzywienia.Miękki chwytak musi być najpierw termoformowany. Umieść siłownik w szklanej formie na fiolkę, aby termoformować chwytak do kształtu. Gdy siłownik znajdzie się w formie, umieść je oba w piekarniku lub użyj światła podczerwonego.Chwytak jest umieszczony między złotymi stykami, złotą stroną skierowaną w stronę materiału aktywnego. Do obsługi ładunku stosowane są stopnie napięcia. Otwieranie chwytaka.Zamykanie chwytaka. Ręczne podnoszenie ładunku. Testowanie przyczepności.I wreszcie uwolnienie ładunku. Klipy Kelvina są używane do charakteryzacji. Umieść siłownik między zaciskami i monitoruj kąt alfa za pomocą kamery wideo.W przypadku sygnału trójkątnego odpowiedź prądowa działającego siłownika jest pojemnościowa. Natomiast odpowiedź na wadliwą próbkę jest ściśle zgodna z prawem Ohma i jest rezystancyjna. Użyj skaningowej mikroskopii elektronowej, aby opisać strukturę siłownika.Próbki są krakowane przez zamrażanie przy użyciu ciekłego azotu w celu uzyskania czystych przekrojów. Uwaga: Nigdy nie zamykaj pokrywy pojemnika z ciekłym azotem. Wzrost ciśnienia może spowodować poważne obrażenia.Najpierw zamroź siłownik na kilka minut w ciekłym azocie. Następnie użyj dwóch zestawów chłodnych pęset, aby rozbić zamrożoną próbkę. Siłowniki wzmocnione tekstyliami mogą nie pękać nawet w stanie zamrożenia.Zamrozić skalpel razem z siłownikiem i posiekać zamrożoną próbkę na dwie części. Jest to przekrój poprzeczny siłownika z PTFE przedstawiający dwie elektrody węglowe, oddzielone membraną PTFE, tworzące siłownik. Kluczowym punktem tej metody jest włączenie do warstwy membrany obojętnego zbrojenia, takiego jak PTFE.Upraszcza to znacznie proces produkcyjny i umożliwia powtarzalne wytwarzanie materiałów aktywnych na dużą skalę. Nasza metoda wskazuje obiecującą drogę do produkcji siłowników jonowych na skalę przemysłową.

fabrication-carbon-based-ionic-electromechanically-active-soft

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ten manuskrypt pokazuje proces produkcji miękkich siłowników z elastomeru dielektrycznego opartych na membranach silikonowych. Szczegółowo przedstawiono trzy kluczowe etapy produkcji: odlewanie łopatek z cienkich membran silikonowych; tampodruk elektrod zgodnych z wymaganiami; i montaż wszystkich komponentów.

Proces wytwarzania siłowników z elastomeru dielektrycznego na bazie silikonu

Tutaj wytwarzamy 3D polimerowe mikro/nano struktury, w których zarówno kształt, jak i wyrównanie molekularne mogą być zaprojektowane z dokładnością do skali nanometrowej za pomocą bezpośredniego pisma laserowego. Indukowane światłem odkształcenia kilku typów mikrostruktur elastomerów ciekłokrystalicznych mogą być kontrolowane w skali mikroskopowej.

Siłowniki do oświetlenia o dowolnym kształcie -- Wytwarzanie i sterowanie uruchamianiem w skali mikroskopowej

W tym dwuczęściowym badaniu, biologiczny siłownik został opracowany przy użyciu wysoce elastycznych wsporników polidimetylosiloksanu (PDMS) i żywych komórek mięśniowych (kardiomiocytów) i scharakteryzowany. Aktywator biologiczny został połączony z podstawą wykonaną ze zmodyfikowanych materiałów PDMS w celu zbudowania samostabilizującego się, pływającego biorobota.

Siłownik oparty na komórkach mięśnia sercowego i samostabilizujący się biorobot - CZĘŚĆ 1

Długie i puste w środku szkliste mikrowłókna węglowe zostały wytworzone w oparciu o pirolizę naturalnego produktu, ludzkiego włosa. Dwa etapy wytwarzania węglowych systemów mikroelektromechanicznych i nanoelektromechanicznych węglowych, czyli C-MEMS i C-NEMS, to: (i) fotolitografia prekursora polimeru bogatego w węgiel oraz (ii) piroliza prekursora polimeru o wzorzystym wzorze.

Wytwarzanie węglowych systemów mikroelektromechanicznych 3D (C-MEMS)

Tutaj prezentujemy metodę produkcji miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z ukośnymi komorami. Siłowniki są zdolne do generowania sprzężonych ruchów zginania i skręcania, co rozszerza ich zastosowanie w miękkiej robotyce.

Produkcja miękkich pneumatycznych siłowników sieciowych z komorami skośnymi

Ten protokół opisuje metodę szybkiej produkcji miękkich siłowników pneumatycznych i robotów o cienkiej obudowie. Metoda produkcji rozpoczyna się od laminowania arkuszy termoplastycznego poliuretanu (TPU), a następnie cięcia laserowego/spawania dwuwymiarowego wzoru w celu uformowania siłowników i robotów.

Szybka produkcja cienkich, miękkich siłowników pneumatycznych i robotów

Opisujemy zastosowanie pulsacyjnego osadzania laserowego (PLD), fotolitografii i technik łączenia drutów do tworzenia złożonych urządzeń tlenkowych w skali mikrometrycznej. PLD jest wykorzystywany do hodowli cienkich warstw epitaksjalnych. Wprowadza się techniki fotolitografii i łączenia drutowego w celu stworzenia praktycznych urządzeń do celów pomiarowych.

Wytwarzanie przestrzennie ograniczonych złożonych tlenków

Parametryczne wzbudzenia optomechaniczne zostały ostatnio eksperymentalnie zademonstrowane w mikroprzepływowych rezonatorach optomechanicznych za pomocą ciśnienia promieniowania optycznego i stymulowanego rozpraszania Brillouina. W artykule opisano wytwarzanie tych rezonatorów mikroprzepływowych wraz z metodologiami generowania i weryfikacji oscylacji optomechanicznych.

Produkcja i testowanie mikroprzepływowych oscylatorów optomechanicznych

Przedstawiamy protokół łączący metrologię atomową Skaningowego Mikroskopu Tunelowego do modelowania powierzchni z selektywnym osadzaniem warstw atomowych i reaktywnym trawieniem jonowym. Korzystając z solidnego procesu obejmującego liczne ekspozycje atmosferyczne i transport, wytwarzane są nanostruktury 3D z metrologią atomową.

Wytwarzanie nanostruktur identyfikowalnych atomowo

Nadprzewodzące rezonatory mikrofalowe są interesujące dla wykrywania światła, zastosowań obliczeń kwantowych i charakteryzacji materiałów. W pracy przedstawiono szczegółową procedurę wytwarzania i charakterystyki parametrów rozpraszania nadprzewodzącego rezonatora mikrofalowego.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów nadprzewodzących

Poznaj metodę produkcji jonowych siłowników elektromechanicznych na bazie węgla do zastosowań biomedycznych i miękkiej robotyki. Protokół zapewnia powtarzalną i skalowalną fabrykację materiałów aktywnych.

Produkcja jonowych, elektromechanicznie aktywnych miękkich siłowników na bazie węgla

Przeglądaj więcej filmów