Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Проектирование, изготовление и демонстрация мягких тонкопленочных приводов

524 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/68951

⸱

29 августа 2025 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Мягкие приводы могут использоваться при изготовлении мягких роботов и носимых устройств. Их соответствие позволяет им сохранять функциональность даже при деформации. Здесь представлен протокол для изготовления мягких тонкопленочных приводов и демонстрации их применения в роботах для ползуния, мягких роботизированных захватах и интерфейсах тактильной обратной связи.

Аннотация

Мягкие приводы обладают многообещающими свойствами в области мягкой робототехники и человеко-машинных интерфейсов. Особенно при непосредственном соприкосновении с кожей человека, мягкие тонкие приводы могут соответствовать механическому соединению с человеческими тканями. Изучение возможностей повышения производительности и надежности мягких приводов имеет решающее значение для разработки гибких устройств. Спрос на надежные, гибкие устройства ставит перед нами сложные задачи в отношении производительности и методов производства приводов. В статье проиллюстрированы методы проектирования и изготовления мягких тонкопленочных приводов. Эти мягкие приводы надежны и демонстрируют потенциал в различных сценариях. Этот протокол демонстрирует потенциал тонкопленочных приводов в трех различных приложениях. Сначала был изготовлен ползучий робот, приводимый в движение мягкими тонкопленочными приводами. Робот чрезвычайно надежен. Он может выдержать непрерывную ударную работу и оставаться функциональным даже с тремя металлическими иглами, пробитыми через его корпус. Во-вторых, был изготовлен мягкий роботизированный захват, который может выполнять тонкие манипуляции, такие как захват листа бумаги, не повреждая его. В-третьих, было изготовлено устройство тактильной обратной связи с тонкопленочным приводом, которое может обеспечивать тактильную обратную связь при взаимодействии с кожей человека. Этот протокол демонстрирует эффективные процессы изготовления прочных мягких тонкопленочных приводов с различными возможностями применения для создания прочной мягкой робототехники.

Введение

По сравнению с жесткими двигателями, гибкие приводы демонстрируют превосходную податливость и адаптируемость1. Они широко используются в производстве мягких роботов и датчиков. К современным типам мягких приводов относятся пневматические приводы2, приводы химического топлива3, гидравлические приводы4, приводы из сплава с памятью формы (SMA)5, приводы диэлектрических эластомеров6 и приводы из электроактивных полимеров7. Целью данного исследования является разработка гибкого привода с простым производственным процессом и высокой производительностью. Вышеуказанные характеристики будут описаны в следующем тексте.

Разработанный мягкий тонкопленочный привод (STFA) работает по принципу электроадгезии (EA)8. Структура и принцип работы STFA показаны на рисунке 1. Его структура состоит из активного слоя и слоя подложки, разделенных воздушным зазором. При подаче напряжения электроды в активном слое генерируют электрические поля, индуцируя противоположные заряды в слое подложки. Электростатическое притяжение между этими зарядами приводит к тому, что активный слой изгибается в сторону подложки. Срабатыванием STFA можно управлять путем модуляции частоты и амплитуды сигнала напряжения.

STFA могут обеспечивать быстрое срабатывание и сохранять функциональность при механических воздействиях. Например, ползучий робот с использованием STFAs сохранял свою работоспособность при непрерывных ударах молотком9 и даже при проколе тремя металлическими иглами (показано в Дополнительном видео 1 и Дополнительном видео 2). В качестве захватов гибкие приводы превосходят жесткие аналоги по адаптируемости10. Их податливые поверхности точно соответствуют геометрии объекта, сводя к минимуму риск повреждения хрупких предметов во время захвата.

Эксплуатационная стабильность STFA соответствует требованиям носимых приложений. Они напрямую преобразуют электрические сигналы в механические стимулы посредством пространственно направленного тактильного воздействия. Интерфейс тактильной обратной связи, построенный с помощью STFA, демонстрирует эффективную передачу информации путем подачи сигналов различной интенсивности на кончики пальцев9.

Основным вкладом данного исследования является предложение эффективного привода с простым процессом изготовления. STFA является гибким, надежным и может поддерживать хорошую производительность с точки зрения энергопотребления. Многофункциональный потенциал STFA подтверждается тремя областями применения: роботами-ползунами, мягкими роботизированными захватами и интерфейсами тактильной обратной связи. Ползущие роботы демонстрируют возможности STFA по движению. Интерфейсы тактильной обратной связи подчеркивают их полезность взаимодействия человека и машины. Эти реализации в совокупности подтверждают потенциал STFA в области мягкой робототехники и носимых технологий.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Этот протокол описывает этапы изготовления роботов-ползунов на основе STFA и STFA, мягких роботизированных захватов и интерфейсов тактильной обратной связи. На рисунках 2, 3, 4 и 5 показан пошаговый процесс изготовления устройства. Реагенты и оборудование, использованные в данном исследовании, перечислены в Таблице материалов.

1. Изготовление мягкого тонкопленочного привода

  1. Спроектируйте схему межпальцевых электродов (Рисунок 2A).
  2. Настройте параметры лазерной гравировки (резка: мощность = 20, скорость = 10, PPI/Гц = 1000).
  3. Отрежьте кусок полиэтилентерефталатной (ПЭТ) фольги с алюминиевым покрытием (толщиной 100 мкм), размером от 30 см × 20 см.
  4. Поместите ПЭТ-пленку алюминиевой стороной вверх в рабочее место для лазерной резки.
  5. Выполнение лазерного нанесения рисунка на ПЭТ-фольгу (гравировка: мощность = 55, скорость = 100, PPI/Гц = 1000, резка: мощность = 20, скорость = 10, PPI/Гц = 1000, рисунок 2B и рисунок 2C).
  6. Подсоедините электрические провода: Поместите два провода на клеммные площадки из узорчатой ПЭТ-пленки. Закрепите соединения с помощью проводящего клея.
  7. Герметизируйте устройство: Полностью заклейте соединение фольги ПЭТ и свинца клейкой лентой (Рисунок 2D).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Готовый образец STFA показан на рисунке 2E.

2. Изготовление робота-ползуна

  1. Нарисуйте схему вида сверху передней и задней ноги для ползущего робота с помощью программного обеспечения CAD (рис. 3A).
  2. Вырежьте ножки с помощью лазерного резака из полиэтилентерефталата (ПЭТ) толщиной 100 мкм (резка: мощность = 20, скорость = 10, PPI/Гц = 1000, Рисунок 3B).
  3. Подготовьте две двусторонние клейкие ленты толщиной 0,1 мм (11 мм × 3 мм каждая). Прикрепите их к переднему и заднему концам STFA (рис. 3C).
  4. Согните кончики конечностей примерно под углом 45° с помощью пинцета и убедитесь, что кончики образуют постоянный угол (Рисунок 3D).
  5. Изготовьте STFA с габаритными размерами от 35 мм × 11 мм, с электродами шириной 1 мм и расстоянием между электродами 0,5 мм.
  6. Соберите робота для ползания, прикрепив передние и задние ноги к STFA (рис. 3E).

3. Изготовление мягкого роботизированного захвата

  1. Изготовьте STFA с полидиметилсилоксаном (PDMS) в качестве подложки:
    1. Добавьте 20 г PDMS Sylgard часть A и 0,4 г часть B в смесительный котел и смешайте силикон с помощью вакуумного миксера (фаза 1: давление = 100 кПа, время работы = 30 с; фаза 2: давление = 1 кПа, время работы = 30 с).
    2. С помощью микроавтоматической машины для нанесения покрытий (скорость работы = 2, высота скребка = 0,7 мм) нанесите смешанный силикон на подложку из ПЭТ формата А4 (Рисунок 4A).
    3. Разрежьте маску с интердигитальным электродом (резка: мощность = 20, скорость = 10, PPI/Гц = 1000, рисунок 4B).
    4. Поместите маску на ПЭТ с силиконовым покрытием и с помощью аэрографа (с расстоянием сопла 10 см, давлением 15 фунтов на квадратный дюйм, углом 45-60 градусов и дозировкой 5 мл) распылите угольный порошок для формирования электродов (рис. 4C).
    5. Снимите маску и убедитесь, что после снятия маски между соседними электродами нет размазывания углеродного порошка (Рисунок 4D).
    6. Вырежьте STFA и растворите порошок P(VDF-TrFE-CTFE) в диметилформамиде (4,76 мас.%)11. С помощью аэрографа (с расстоянием между соплами 10 см, давлением 15 psi, углом 45-60 градусов и дозировкой 10 мл) распылите смешанный раствор на электрод (рис. 4E).
    7. Подсоедините электрические провода к STFA (рис. 4F).
    8. Удалите подложку из ПЭТ формата А4
  2. Интегрируйте STFA в роботизированную руку.
  3. Проложите электрические соединения.

4. Изготовление интерфейса тактильной обратной связи

  1. Изготовьте STFA с габаритными размерами от 35 мм × 11 мм, с электродами шириной 1 мм и расстоянием между электродами 0,5 мм.
  2. Разработайте шаблоны покровного слоя и слоя подложки для STFA (Рисунок 5A).
  3. Разработайте внешний контур для слоя подложки (рис. 5B).
  4. Лазерная резка слоев крышки и подложки после шага 1 (резка: мощность = 20, скорость = 10, PPI/Гц = 1000, рисунок 5C).
  5. Вырежьте лазером клейкую ленту толщиной 0,8 мм, соответствующую контурному рисунку из шага 4.3, и приклейте ее к слою подложки (резка: мощность = 20, скорость = 10, PPI/Гц = 1000, рисунок 5D).
  6. Наклейте STFA на слой подложки (Рисунок 5E).
  7. Наклейте защитный слой на слой подложки (Рисунок 5F).
  8. Интегрируйте STFA с разъемами для сборки интерфейса тактильной обратной связи (рис. 5G).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Структура и готовый образец интерфейса тактильной обратной связи показаны на рисунке 5H,I.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Для демонстрации предложенного метода в протоколе описывается изготовление прототипов устройств и выполнение функциональной валидации. Во-первых, подробно описан процесс изготовления STFA. На рисунке 2A показана спроектированная схема электродов, состоящая из межпальцевых электродов, заканчивающихся соединительными контактами для крепления проводов. На рисунке 2E показан завершенный STFA. Во время работы подача напряжения на сосе...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

С помощью этой методологии было достигнуто успешное изготовление STFA, за которым последовала демонстрация их потенциала в трех различных приложениях. Изготовление STFA включает в себя три важнейших этапа: (1) надлежащее 2D-проектирование: геометрия схемы электродов определяет размеры привода, в то время как количество и размеры межпальцевых электродов критически определяют производительность привода; (2) надежное электрическое сопряжение: правильное соединение слоя алюминиевого электрод...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая (грант No 52175048).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
0,1 мм Двусторонний скотч3 МИН.
0,8 мм Двусторонний скотч3 МИН.VHB
3D-принтерБамбуX1-Карбон
АэрографЗахватЛП-131Расстояние между соплами – 10 см, давление – 15 psi, угол – от 45 до 60 градусов
АвтоКАДКомпания «Автодеск»
проводящий клейДзиншидаК-818
ДиметилформамидМаклинКАС 68-12-2
Лазерный резакТротекQ400Гравировка: мощность = 55, скорость = 100, импульсы на дюйм (PPI)/Гц = 1000<бр/> Резка: мощность = 20, скорость = 10, PPI/Гц = 1000
Микроавтоматическая машина для нанесения покрытийБЕВС1818 Г.скорость бега = 2, высота скребка = 0,7 мм
P(VDF-TrFE-CTFE)Пьезотех-Аркема
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) фольга с алюминиемТехнология Пиньхао 
Роботизированная рукаЙеаботАМ1
Силиконовая эластомерная основаСильгард184
Односторонняя лентаГастроном

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Мягкая робототехникаизготовление актуаторовгибкие устройстваинтерфейсы человек-машинароботизированный захватустройство тактильной обратной связимеханическая связьнадежные актуаторыпроектирование тонкопленочных актуаторов

Эта статья была опубликована

Видео скоро будет доступно

Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.