Projeto, fabricação e demonstração de atuadores de filme fino macio

Resumo

Atuadores macios podem ser usados na fabricação de robôs macios e dispositivos vestíveis. Sua conformidade permite que eles mantenham a funcionalidade mesmo quando deformados. Aqui, é apresentado um protocolo para fabricar atuadores de filme fino macio e demonstrar sua aplicação em robôs de rastreamento, garras robóticas macias e interfaces de feedback tátil.

Resumo

Os soft actuators apresentam propriedades promissoras em relação a aplicações em soft robotics e interfaces homem-máquina. Especialmente ao fazer interface direta com a pele humana, os atuadores finos e macios podem combinar o acoplamento mecânico com o tecido humano. A exploração da melhoria do desempenho e robustez dos atuadores macios é crucial para o desenvolvimento de dispositivos flexíveis. A demanda por dispositivos robustos e flexíveis apresenta desafios ao desempenho e aos métodos de fabricação dos atuadores. O artigo ilustra técnicas para o projeto e fabricação de atuadores de filme fino macio. Esses atuadores macios são robustos e demonstram potencial em cenários versáteis. Este protocolo mostra o potencial dos atuadores de filme fino em três aplicações diferentes. Primeiro, um robô rastejante acionado por atuadores de filme fino macio foi fabricado. O robô é extremamente robusto. Ele pode sobreviver ao martelamento contínuo e permanecer funcional mesmo com três agulhas de metal perfuradas em seu corpo. Em segundo lugar, foi fabricada uma garra robótica macia, que pode realizar manipulação fina, como agarrar um pedaço de papel sem danificá-lo. Terceiro, foi fabricado um dispositivo de feedback tátil com um atuador de filme fino, que pode fornecer feedback tocante ao interagir com a pele humana. Este protocolo demonstra processos de fabricação eficientes para atuadores robustos de filme fino macio, com vários potenciais de aplicação para impulsionar a robótica leve robusta.

Introdução

Em comparação com os motores rígidos, os atuadores flexíveis exibem conformidade e adaptabilidade superiores¹. Eles são amplamente utilizados na fabricação de robôs e sensores macios. Os tipos atuais de atuadores macios incluem atuadores pneumáticos², atuadores de combustível químico³, atuadores hidráulicos⁴, atuadores de liga com memória de forma (SMA)⁵, atuadores de elastômero dielétrico⁶ e atuadores de polímeros eletroativos⁷. O objetivo desta pesquisa é projetar um atuador flexível com um processo de fabricação simples e desempenho robusto. As características acima serão descritas no texto a seguir.

O atuador de filme fino macio desenvolvido (STFA) opera através do princípio de eletroadesão (EA)⁸. A estrutura e o princípio de funcionamento dos STFAs são mostrados na Figura 1. Sua estrutura compreende uma camada ativa e uma camada de substrato separadas por um entreferro. Quando uma tensão é aplicada, os eletrodos na camada ativa geram campos elétricos, induzindo cargas opostas na camada de substrato. A atração eletrostática entre essas cargas faz com que a camada ativa se dobre em direção ao substrato. O acionamento do STFA pode ser controlado modulando a frequência e a amplitude do sinal de tensão.

Os STFAs podem atingir uma atuação rápida e manter a funcionalidade sob distúrbios mecânicos. Por exemplo, um robô rastejante usando STFAs manteve a funcionalidade sob golpes contínuos de martelo⁹ e até mesmo sendo perfurado com três agulhas de metal (demonstrado no Vídeo Suplementar 1 e no Vídeo Suplementar 2). Como garras, os atuadores flexíveis superam os rígidos em adaptabilidade¹⁰. Suas superfícies compatíveis estão em conformidade com as geometrias dos objetos, minimizando os riscos de danos a itens frágeis durante a preensão.

A estabilidade operacional dos STFAs atende aos requisitos de aplicações vestíveis. Eles transduzem diretamente sinais elétricos em estímulos mecânicos por meio de atuação tátil espacialmente direcionada. Uma interface de feedback tátil construída com STFAs demonstra uma transferência de informações eficaz, fornecendo sinais de multiintensidade para as pontas dos dedos⁹.

A principal contribuição deste estudo é propor um atuador eficiente com um processo de fabricação simples. O STFA é flexível, robusto e pode manter um bom desempenho em termos de consumo de energia. Os potenciais multifuncionais dos STFAs são validados por meio de três aplicações: robôs de rastreamento, garras robóticas macias e interfaces de feedback tátil. Os robôs rastejantes demonstram as capacidades de condução de movimento dos STFAs. As interfaces de feedback tátil destacam sua utilidade de interação homem-máquina. Essas implementações confirmam coletivamente o potencial dos STFAs em robótica leve e tecnologias vestíveis.

Protocolo

Este protocolo descreve as fases de fabricação de robôs de rastreamento baseados em STFA e STFA, garras robóticas macias e interfaces de feedback tátil. A Figura 2, a Figura 3, a Figura 4 e a Figura 5 mostram o processo de fabricação do dispositivo passo a passo. Os reagentes e os equipamentos utilizados neste estudo estão listados na Tabela de Materiais.

1. Fabricação de um atuador de filme fino macio

1. Projete o padrão de eletrodo interdigitado (Figura 2A).
2. Configure os parâmetros de gravação a laser (corte: potência = 20, velocidade = 10, PPI/Hz = 1000).
3. Corte um pedaço de folha de polietileno tereftalato (PET) com revestimento de alumínio (100 μm de espessura), com dimensões de 30 cm × 20 cm.
4. Posicione a folha de PET, com o lado de alumínio para cima, na área de trabalho do cortador a laser.
5. Execute a padronização a laser da folha de PET (gravação: potência = 55, velocidade = 100, PPI/Hz = 1000, corte: potência = 20, velocidade = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 2B e Figura 2C).
6. Conecte os cabos elétricos: Coloque dois fios nas almofadas de terminais da folha de PET padronizada. Conexões seguras com adesivo condutor.
7. Encapsule o dispositivo: Cubra totalmente a interface folha de chumbo PET com fita adesiva (Figura 2D).
   NOTA: A amostra completa do STFA é mostrada na Figura 2E.

2. Fabricação do robô rastejante

1. Desenhe o padrão de vista superior da perna dianteira e traseira para o robô rastejante usando um software CAD (Figura 3A).
2. Corte os padrões de perna usando o cortador a laser de uma folha de polietileno tereftalato (PET) de 100 μm de espessura (corte: potência = 20, velocidade = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 3B).
3. Prepare duas fitas adesivas de dupla face de 0,1 mm de espessura (11 mm × 3 mm cada). Fixe-os nas extremidades dianteira e traseira do STFA (Figura 3C).
4. Dobre as pontas dos membros em aproximadamente 45° com uma pinça e certifique-se de que as pontas formem um ângulo consistente (Figura 3D).
5. Fabrique um STFA com dimensões totais de 35 mm × 11 mm, com eletrodos de 1 mm de largura e espaçamento entre eletrodos de 0.5 mm.
6. Monte o robô rastejante aderindo as pernas dianteiras e traseiras ao STFA (Figura 3E).

3. Fabricação da pinça robótica macia

1. Fabricar STFA com Polidimetilsiloxano (PDMS) como substrato:
   1. Adicione 20 g de PDMS Sylgard parte A e 0,4 g parte B a uma panela e misture o silicone com um misturador a vácuo (fase 1: pressão = 100 kPa, tempo de operação = 30 s.; fase 2: pressão = 1 kPa, tempo de operação = 30 s).
   2. Use a máquina de revestimento micro automática (velocidade de funcionamento = 2, altura do raspador = 0.7 mm) para aplicar o silicone misturado em um substrato PET de tamanho A4 (Figura 4A).
   3. Corte a máscara com padrão de eletrodo interdigitado (corte: potência = 20, velocidade = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 4B).
   4. Coloque a máscara em PET revestido de silicone e use um aerógrafo (com distância do bico de 10 cm, pressão de 15 psi, ângulo de 45-60 graus e dosagem de 5 mL) para pulverizar pó de carbono para formar os eletrodos (Figura 4C).
   5. Remova a máscara e verifique se não há esfregaço de pó de carbono entre os eletrodos adjacentes após a remoção da máscara (Figura 4D).
   6. Corte o STFA e dissolva o pó de P (VDF-TrFE-CTFE) em Dimetil Formamida (4,76% em peso) ¹¹. Use o aerógrafo (com distância do bico de 10 cm, pressão de 15 psi, ângulo de 45-60 graus e dosagem de 10 mL) para pulverizar a solução misturada no eletrodo (Figura 4E).
   7. Conecte os cabos elétricos ao STFA (Figura 4F).
   8. Remova o substrato PET de tamanho A4
2. Integre os STFAs no braço robótico.
3. Encaminhe as conexões elétricas.

4. Fabricação da interface de feedback tátil

1. Fabrique um STFA com dimensões totais de 35 mm × 11 mm, com eletrodos de 1 mm de largura e espaçamento entre eletrodos de 0.5 mm.
2. Projete os padrões da camada de cobertura e da camada de substrato para o STFA (Figura 5A).
3. Projete o padrão de contorno externo para a camada de substrato (Figura 5B).
4. Corte a laser das camadas de cobertura e substrato seguindo a etapa 1 (corte: potência = 20, velocidade = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 5C).
5. Corte a laser uma fita adesiva de 0,8 mm de espessura que corresponda ao padrão de contorno da etapa 4.3 e cole-a à camada de substrato (corte: potência = 20, velocidade = 10, PPI/Hz = 1000, Figura 5D).
6. Cole o STFA na camada de substrato (Figura 5E).
7. Cole a camada de cobertura na camada de substrato (Figura 5F).
8. Integre o STFA com conectores para montar a interface de feedback tátil (Figura 5G).
   NOTA: A estrutura e a amostra completa da interface de feedback tátil são mostradas na Figura 5H,I.

Resultados

Para demonstrar o método proposto, o protocolo descreve a fabricação de dispositivos protótipos e a realização da validação funcional. Primeiro, o processo de fabricação do STFA é detalhado. A Figura 2A mostra o padrão de eletrodo projetado, compreendendo eletrodos interdigitados terminando em almofadas de conexão para fixação do eletrodo. A Figura 2E mostra o STFA concluído. Durante a operação, a aplicação de uma tensão em eletr...

Discussão

Usando esta metodologia, foi alcançada a fabricação bem-sucedida de STFAs, seguida por uma demonstração de seu potencial em três aplicações distintas. A fabricação do STFA envolve três etapas críticas: (1) projeto 2D apropriado: a geometria do padrão do eletrodo determina as dimensões do atuador, enquanto a quantidade e as dimensões dos eletrodos interdigitados determinam criticamente o desempenho da atuação; (2) interface elétrica confiável: a conexão adequada da camada de eletrodo de a...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Fita dupla face de 0,1 mm	3M
Fita dupla face de 0,8 mm	3M	VHB
Impressora 3D	Bambu	X1-Carbono
Aerógrafo	Apertar	LP-131	A distância do bico é de 10 cm, a pressão é de 15 psi, o ângulo é de 45 a 60 graus
AutoCAD	Autodesk
adesivo condutor	Jinshida	K-818
Dimetilformamida	Macklin	CAS 68-12-2
Cortador a laser	Trotec	Pergunta 400	Gravação: potência = 55, velocidade = 100, pulsos por polegada (PPI) / Hz = 1000 < br / > Corte: potência = 20, velocidade = 10, PPI / Hz = 1000
Máquina de revestimento micro automática	BEVS	1818H	velocidade de corrida = 2, altura do raspador = 0,7 mm
P (VDF-TrFE-CTFE)	Piezotech-Arkema
Folha de tereftalato de polietileno (PET) com alumínio	Pinhão Tecnologia
Braço robótico	Sim, bot	Anti-Mage
Base de elastômero de silicone	Silgard	184
Fita de face única	Delicatessen