Denne artikel beskriver en hurtig og enkel fremstillingsproces af ioniske elektromekanisk aktive kompositmaterialer til aktuatorer i biomedicinske, biomimetiske og bløde robotapplikationer. De vigtigste fabrikationstrin, deres betydning for aktuatorernes endelige egenskaber og nogle af de vigtigste karakteriseringsteknikker er beskrevet i detaljer.
Ioniske elektromekanisk aktive kapacitive laminater er en type smart materiale, der bevæger sig som reaktion på elektrisk stimulation. På grund af denne deformations bløde, kompatible og biomimetiske karakter har aktuatorer fremstillet af laminatet fået stigende interesse for blød robotteknologi og (bio)medicinske anvendelser. Metoder til let at fremstille det aktive materiale i store (selv industrielle) mængder og med en høj batch-til-batch og in-batch repeterbarhed er imidlertid nødvendige for at overføre viden fra laboratorium til industri. Denne protokol beskriver en enkel, industrielskalerbar og reproducerbar metode til fremstilling af ioniske kulstofbaserede elektromekanisk aktive kapacitive laminater og fremstilling af aktuatorer fremstillet heraf. Medtagelsen af et passivt og kemisk inert (uopløseligt) mellemlag (f.eks. et tekstilforstærket polymernetværk eller mikroporøs Teflon) adskiller metoden fra andre. Protokollen er opdelt i fem trin: membran forberedelse, elektrode forberedelse, nuværende kollektor vedhæftet fil, skæring og formning, og aktivering. Efter protokollen resulterer i et aktivt materiale, der for eksempel kompatibelt kan gribe og holde et tilfældigt formet objekt som vist i artiklen.
Ioniske elektromekanisk aktive polymer- eller polymerkompositter er i sig selv bløde og kompatible materialer, der har fået stigende interesse for forskellige bløde robotteknologi og biomimetiske anvendelser (f.eks. som aktuatorer, gribere eller bioinspirerede robotter1,2). Denne type materiale reagerer på elektriske signaler i området af et par volt, hvilket gør dem nemme at integrere med konventionel elektronik og strømkilder3. Mange forskellige typer af ioniske aktuator grundmaterialer er tilgængelige, som beskrevet i detaljer andetsteds4,og igen for ganske nylig5. Desuden er det for nylig blevet særlig understreget, at udviklingen af soft robotic-udstyr vil være meget tæt forbundet med udviklingen af avancerede fremstillingsprocesser for relevante aktive materialer og komponenter6. Desuden er betydningen af et effektivt og veletableret procesflow i udarbejdelsen af reproducerbare aktuatorer, der har potentiale til at flytte fra laboratoriet til industrien, også blevet fremhævet i tidligere metodersbaserede undersøgelser7.
I løbet af de sidste årtier er der udviklet eller tilpasset mange fabrikationsmetoder til fremstilling af aktuatorer (f.eks. lag-for-lag støbning8 og hot-pressing9,10, imprægnering-reduktion11, maling12,,13,eller sputtering og efterfølgende elektrokemisk syntese14,15, inkjet trykning16 og spin-coating17); nogle metoder er mere universelle, og nogle er mere begrænsende med hensyn til materialevalg end andre. Men mange af de nuværende metoder er temmelig kompliceret og / eller mere egnet til laboratorieskala fabrikation. Den nuværende protokol fokuserer på en hurtig, repeterbar, pålidelig, automatiseret og skalerbar aktuatorfabrikationsmetode til fremstilling af aktive laminater med lav batch-til-batch og variation i batchen og en lang aktuatorlevetid18. Denne metode kan bruges af materialeforskere til at udvikle højtydende aktuatorer til den næste generation af bioinspirerede applikationer. Desuden giver efterdenne metode uden ændringer soft robotics ingeniører og lærere et aktivt materiale til udvikling og prototyping af nye enheder, eller til undervisning i soft robotics koncepter.
Ioniske elektromekanisk aktive polymer- eller polymeraktuatorer er typisk fremstillet af to- eller trelagslaminarkompositter og bøjes som reaktion på elektrisk stimulation i området med få volt (figur 1). Denne bøjningsbevægelse skyldes hævelses- og sammentrækningseffekterne i elektrodelagene, og den medbringes typisk enten ved hjælp af faradiske (redox) reaktioner på elektroderne (f.eks. i tilfælde af elektromekanisk aktive polymerer (EOP’er) som de ledende polymerer) eller ved kapacive ladninger af dobbeltlaget (f.eks. i kulstofbaserede polymerelektroder, hvor polymeren kun kan fungere som bindemiddel). I denne protokol (figur 2) fokuserer vi på sidstnævnte; vi viser fremstillingen af en elektromekanisk aktiv komposit, der består af to højt specifikke overfladeareal elektronisk ledende kulstofbaserede elektroder, der er adskilt af en inaktiv ion-ledende membran, der letter bevægelsen af kationer og anioner mellem elektroderne – en konfiguration meget lig superkondensatorerne. Denne type aktuator bøjer som reaktion på kapacitive opladning/udledning, og den deraf følgende hævelse/sammentrækning af elektroderne tilskrives typisk forskellene i volumen og mobilitet af kationer og anioner af elektrolytten8,10,19. Medmindre overfladefunktionaliseret kulstof anvendes som det aktive materiale, eller den kapacitive komposit anvendes uden for elektrokemiskstabilitetspotentialevinduet i elektrolytten, forventes der ikke at finde faradaiske reaktioner sted på denne type elektroder20. Manglen på faradaiske reaktioner er den største bidragyder til denne aktuators gavnlige levetid (dvs. tusindvis af cyklusser i luft8,18 vist for forskellige kapacitive aktuatorer).
Figur 1: Strukturen af den kulstofbaserede aktuator i neutral (A) og i aktueret tilstand (B). (B) fremhæver også de vigtigste egenskaber, der bestemmer en ionisk aktuators ydeevne. Bemærk: Tallet er ikke tegnet til skala. Ionstørrelse er blevet overdrevet for at illustrere den mest almindeligt citerede aktiveringsmekanisme, der er fremherskende i tilfælde af en inaktiv membran, der muliggør mobilitet for både anioner og kationer af elektrolytten (f.eks. ionisk væske). Klik her for at se en større version af dette tal.
Opnåelse af en funktionel membran, der forbliver intakt gennem hele fremstillingsprocessen er et af de vigtigste trin i den vellykkede aktuator forberedelse. En højtydende membran til en aktuator er så tynd som muligt og muliggør ionisk ledningsevne mellem elektroderne, mens enhver elektronisk ledningsevne blokeres. Den ioniske ledningsevne i membranen kan skyldes at kombinere elektrolytten med et inert porøst netværk (f.eks. den metode, der anvendes i denne protokol) eller ved brug af specifikke polymerer med kovalent bundet ioniserede enheder eller andre grupper, der muliggør interaktioner med elektrolytten. Den tidligere tilgang foretrækkes her for sin enkelhed, mens specifikt skræddersyede interaktioner mellem elektrolytten og polymernetværket også kan have fordele, hvis ugunstige interaktioner (f.eks. blokering eller opbremsning af ionbevægelse betydeligt på grund af interaktioner) kan udelukkes. Det store udvalg af ionomeriske eller på anden måde aktive membraner til elektromekanisk aktive aktuatorer og deres deraf følgende aktiveringsmekanismer er blevet gennemgået for nylig21. Membranvalget spiller ud over elektrodevalget en afgørende rolle for aktuatorens ydeevne, levetid og aktiveringsmekanisme. Den nuværende protokol fokuserer primært på inaktive membraner, der giver den porøse struktur til ionmigration (som vist på figur 1), selv om dele af protokollen (f.eks. membranvalg C) også kan vise sig at være gavnlige for aktive membraner.
Ud over membranmaterialevalget spiller dens fabrikationsmetode også en vigtig rolle i opnåelsen af en funktionel separator til kompositten. Tidligere anvendte støbte membraner har tendens til at smelte under det senere hot-pressing trin og kan derfor danne kortslutningshotspots22. Desuden har kommercielle ionomeriske membraner (f.eks. Nafion) tendens til at svulme op og spænde betydeligt som reaktion på opløsningsmidler, der anvendes i de senere fremstillingstrin12, og nogle polymerer (f.eks. cellulose23) er kendt for at opløse spænd i nogle ioniske væsker, hvilket muligvis kan forårsage problemer med fabrikationsprocessens repeterbarhed og resulterer i dårlig ensartethed af elektroderne. Derfor fokuserer denne protokol på aktuatorer med en integreret passiv og kemisk inaktiv komponent i membranen (f.eks. glasfiber eller silke med PVDF eller PTFE), der forhindrer kompositten i at blive hævelser og bukker i senere fabrikationstrin eller danner kortslutningshotspots. Desuden forenkler tilføjelsen af en inert og passiv komponent fremstillingsprocessen betydeligt og muliggør større batchstørrelser sammenlignet med mere traditionelle metoder.
Medtagelsen af en passiv forstærkning i membranen blev først introduceret af Kaasik etal. 18 for at løse ovennævnte problemer i aktuatorfremstillingsprocessen. Medtagelsen af en vævet tekstilforstærkning (se også figur 3B og 3D) giver yderligere mulighed for at integrere værktøjer i den aktive komposit24 eller til at udvikle intelligente tekstiler18. Membranmulighed C i protokollen er derfor mere velegnet til sådanne anvendelser. I tilfælde af miniaturiserede aktuatorer (i submillimeter-niveauet) bliver det passive til aktive komponentforhold i membranen imidlertid mere og mere ugunstigt, og medtagelsen af en bestilt tekstilforstærkning kan begynde at påvirke aktuatorens ydeevne negativt og prøve-til-prøve-repeterbarheden. Desuden kan retningen af forstærkningen (langs eller diagonalt i forhold til bøjningsretningen) påvirke ydeevnen af mere komplekst formede aktuatorer uventet. Derfor ville en mindre ordnet og meget porøs inert struktur være mere gavnligt for miniaturiserede aktuatorer og mere komplekse aktuatorformer.
Polytetrafluorethylen (PTFE, også kendt under handelsnavnet Teflon) er en af de mest inaktive polymerer kender til dato. Det er typisk meget hydrofob, men overfladebehandlede versioner, der er gjort hydrofile eksisterer, som er lettere anvendelige i aktuatorfremstilling. Figur 3A illustrerer den tilfældige struktur af en inaktiv hydrofil PTFE-filtreringsmembran, der blev anvendt i denne protokol til aktuatorpræparat. Ud over ensartetheden af dette materiale i alle retninger, der er gavnligt for at skære ud miniaturiserede aktuatorer eller komplekse former, ved hjælp af en kommerciel filtrering membran med kontrolleret porøsitet yderligere forenkler aktuator fremstillingsprocessen ved næsten at fjerne behovet for enhver membran forberedelse. Desuden er membrantykkelser så lave som 30 μm yderst vanskelige at opnå i den tidligere beskrevne tekstilforstærkede konfiguration. Derfor bør PTFE-baserede aktuatorfabrikationsmetoder (løsningsmodel A og B) fra denne protokol foretrækkes i de fleste tilfælde, ibetragtning af at mulighed A er hurtigere, men aktuatorer, der foretages ved hjælp af løsningsmodel B, viser større stammer (i det frekvensområde, der er vist i figur 4B). Den bløde griber, der blev introduceret i afsnittet om repræsentative resultater, blev også fremstillet ved hjælp af PTFE membranen, der først blev dyppet i elektrolyt.
Når der er forberedt en funktionel membran, fortsætter protokollen med elektrodepræparatet og strømopsamlertilbehøret. De kulstofbaserede elektroder tilsættes ved hjælp af spray-coating – en industrielt etableret procedure, der muliggør høj kontrol over den resulterende elektrodelagstykkelse. Mere ensartede elektroder fremstilles med spraybelægning sammenlignet med for eksempel støbemetoden (eller muligvis også andre flydende metoder), hvor sedimentering af kulstofpartikler underfilmtørringen 25 vides at forekomme. Desuden er et yderligere træk ved den præsenterede fabrikationsmetode baseret på strategien for valg af opløsningsmidler, som er vigtigst i tilfælde af tekstilforstærkede membraner. Mere præcist opløses 4-methyl-2-pentanon (opløsningsmidlet i elektrodesuspensionen og limopløsningen) ikke de inertmembranforstærkninger eller PVDF, der anvendes i membranopløsningen i den tekstilforstærkede membran. Derfor reduceres risikoen for at skabe kortslutningshotspots i kompositten under spraybelægningen yderligere.
Det kapacitive laminat er allerede aktivt efter påføring af kulstofelektroder. Men en størrelsesorden hurtigere aktuatorer26 opnås med anvendelse af guld nuværende samlere. Et andet vigtigt skridt i protokollen er fastgørelsen af strømsamlere, mens den tilsvarende elektrode er i strakt tilstand (dvs. kompositten er bøjet). Derfor, i den neutrale flade tilstand af aktuatoren, vil guldbladet blive spændt i submillimeter niveau. Denne buffering-by-buckling27 tilgang muliggør højere deformationer uden at bryde end ellers ville være muligt for en bøde (~ 100 nm) metalplade.
Alle aktuatorfremstillingstrinne (membranforberedelse, elektrodesprøjtning, fast opsamlertilbehør) er også sammenfattet i figur 2. Til præstationskarakteriseringsdemonstrationen har vi forberedt en griber, der kompatibelt griber, holder og frigiver et tilfældigt formet objekt med en tilfældig overfladetekstur. Enklere geometrier, såsom rektangulære prøver med 1:4 eller højere højde-bredde-forhold (f.eks. 4 mm til 20 mm eller endda 1 mm til 20 mm28) skåret ud af det aktive materiale og fastspændt i cantilever position er også meget typisk for materiale karakterisering eller andre applikationer udnytte bøjning-type adfærd.
Artiklen slutter med en kort introduktion til den typiske ioniske elektromekanisk aktive kapacitive materiale karakterisering og fejlfinding teknikker ved hjælp af enklere rektangulæraktuator geometri. Vi viser, hvordan man bruger fælles elektrokemiske karakteriseringsteknikker som cyklisk voltammetri (CV) og elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) til at karakterisere og fejlfinde aktuatormaterialet mere detaljeret. Visualiseringen af kompositten i sub-millimeter niveau sker ved hjælp af scanning elektron mikroskopi (SEM), som vi bruger kryo-frakturering teknik til at forberede prøverne. Materialets polymeriske karakter gør det vanskeligt at opnå klare tværsnit med blot almindelig skæring. Men brud frosne prøver resulterer i veldefinerede tværsnit.
Figur 2: Oversigt over fremstillingsprocessen. De vigtigste skridt fremhæves. Klik her for at se en større version af dette tal.
Vi præsenterede en enkel, hurtig, repeterbar og alsidig fabrikationsmetode til ionisk elektromekanisk aktiv kompositforberedelse til forskellige aktuatorapplikationer og med mindre ændringer også til energilagring, høst33 eller sensing34 applikationer. Den nuværende metode fokuserer på membraner med en integreret passiv og kemisk inert komponent (f.eks. et tekstilforstærket polymernetværk eller en meget porøs Teflonmembran, se også figur 3), fordi sådanne membraner forenkler aktuatorforberedelsesprocessen betydeligt også i stor skala. Desuden har de resulterende membraner en lavere risiko for hævelse og buckling på grund af opløsningsmidler (eller elektrolyt) i elektrodesuspensionen eller kortslutningshotspotdannelse sammenlignet med mange andre almindelige aktuatorfabrikationsmetoder og -materialer.
De kritiske trin i det kapacitive aktuatorlaminatpræparat er membranpræparatet, elektrodefremstilling, strømopsamlertilbehør, skæring og kontakt (figur 2). Hvert af disse trin giver plads til tilpasning og optimering af ydeevnen, men også til fejl. I det følgende afsnit vil vi diskutere de gavnlige ændringer og fejlfinding strategier for denne fabrikation metode i yderligere detaljer. En højtydende komposit resultater fra samspillet mellem flere centrale aspekter, der skal holdes for øje: tilstrækkelig elektronisk ledningsevne langs elektroden (tilføje guld strøm opsamler til kulstof elektroder); tilstrækkelig ionisk ledningsevne gennem membranen (brug en tynd porøs membran og tilstrækkelig mængde elektrolyt med lav viskositet, reducere risikoen for ugunstige interaktioner mellem membranen og elektrolytten ved hjælp af et inert polymernetværk) elektrodens høje overfladeareal (vælg en passende kulstoftype) skræddersyede elektrolytter, der resulterer i asymmetrisk hævelse/sammentrækning af elektroderne (vælg en passende elektrolyt) mekaniske parametre (Youngs moduli af komponenterne). Disse hovedaspekter af en højtydende kulstofbaseret aktuator er også fremhævet i figur 1B.
En højtydende membran er den centrale del af denne sammensætning. Det har to opgaver: forhindre elektronledningsevne (kortslutninger) mellem elektroderne, samtidig med at høj ionisk ledningsevne. Ændringer af membranen kan tjene flere formål, for eksempel værktøjsintegration som indført ved Must et al.24 eller tilsætning af nye egenskaber (f.eks. biokompatibilitet, bionedbrydelighed eller forskellige mekaniske egenskaber). Den nuværende fabrikationsmetode kan ændres til at bruge andre polymerer og elektrolytter i membranen til at indføre nye egenskaber til det aktive laminat. Ligesom den strategi for valg af opløsningsmiddel, der introduceres her for de tekstilforstærkede aktuatorer, er det tilrådeligt at vælge dårligere opløsningsmidler til den efterfølgende elektrodefabrikation sammenlignet med membranpræparatet. Dette sikrer, at membranen forbliver funktionel og intakt også efter tilsætning af elektroder.
Den endelige komposits aktiveringsevne påvirkes af det valgte elektrodemateriale (kulstof), elektrolytten og muligvis deres kompatibilitet med hinanden. Denne protokol indfører fremstilling af kulstofbaserede kapacitive laminater ved hjælp af borcarbidafledt kulstof og 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluormethansulfonat ([EMIM][OTf]) ionisk væske. Den samme protokol kan imidlertid tilpasses andre kulstofmaterialer med højt specifikke overfladeareal, såsom kulstofholdige kulstofstoffer fra35andre kilder (f.eks.368,37238 3940 Desuden kan der også anvendes andre elektrolytter i aktuatorpræparatet. Opnåelse af en funktionel komposit er ikke begrænset til de kulstof- og ioniske væsketyper, der præsenteres i denne protokol. Carbonpartikelstørrelsen, deres mulige agglomeration i elektrodesuspensionen og suspensionens viskositet er mere afgørende parametre for spray-belægningsprocessen.
Denne metode gør det muligt at fremstille elektromekanisk aktivt laminatmateriale med reproducerbare egenskaber i store mængder. Miniaturisering af aktuatorer fremstillet af dette materiale udføres hovedsagelig ved hjælp af højpræcisionsskæring (f.eks. figur 3C). Alternative metoder til fremstilling af fine strukturer, såsom maskering, og mønstre er mulige under spray-belægning41. Desuden kan millimeter-skala strukturer også mønstres i den efterfølgende guld nuværende opkøber vedhæftet fil trin. Men i sub-millimeter skala dette kan blive ganske vanskeligt. Andre typer aktuatorer eller kulstofbaserede aktuatorer uden guldstrømssamlere kan være lettere at forberede, hvis de mønstrelige egenskaber skal være i mikrometerskalaen.
Egen bløde aktuatorer, der reagerer på elektriske stimuli, har mange fordele takket være deres bløde og kompatible natur, støjsvag drift og lavt krævede spændingsniveauer. Den nuværende protokol viser, hvordan man producerer sådant materiale i større mængder og med høj batch-til-batch og in-batch repeterbarhed uden at gå på kompromis med aktiveringydeevne. Ændringer af den nuværende metode til at indarbejde mere biovenlige og muligvis også bionedbrydelige komponenter, der vil gøre det muligt at fungere tæt eller inde i levende organismer ud over vellykkede samlede indkapslingsmetoder, og integrationen af det indførte aktive materiale i blød robot- eller biomedicinsk udstyr forestilles for fremtiden.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke Ron Hovenkamp og Marcel Mulder fra Philips Research for nyttige diskussioner. Dette arbejde blev delvis støttet af den institutionelle forskningsfinansiering IUT (IUT 20-24) under det estiske undervisnings- og forskningsministerium, af tilskuddet fra Det Estiske Forskningsråd (PUT1696), af Den Europæiske Fond for Regionaludvikling, af programmet Mobilitas Pluss (Grant No MOBTP47), af Den Europæiske Unions Forsknings- og Innovationsprogram Horisont 2020 under Marie Skłodowska-Curie-tilskudsaftalen nr. , et innovationsprojekt for Etit-sundhed. EIT Health støttes af ETI, et eu-organ.
~150 µm thick gold plates for custom contacts | local jeweler | 99.9% purity (24K) | |
1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([EMIM][OTf]) | Solvionic | 99.5% | |
100 ml Erlenmeyer flask | |||
4-methyl-2-pentanone (MP) | Sigma Aldrich | ≥99% | |
acetone | technical grade | ||
analytical balance | Mettler Toledo AB204-S/PH | ||
carbon powder | Y Carbon | boron carbide derived carbon, particle size <10 µm, specific surface area 1800 m2/g, pore volume 0.5 cm3/g | |
carbon powder | Skeleton Technologies | titanium carbide derived carbon | |
circular disk magnets (neodymium) for custom contacts | local hardware store | d = 2 mm, thickness 1 mm | |
compressed air supply for the airbrush | |||
crocodile clips with jaws insulated from each other (Kelvin clips) | local hardware store | Optional for making custom contacts. Regular crocodile clips are not suitable because there the jaws are connected to each other at the spring. | |
disposable foam cup | |||
epoxy glue | local hardware store | preferaby fast cure epoxy for attaching gold contacts to magnets | |
filter paper for drying | Munktell, Filtrak | e.g. diameter 150 mm and up if 142 mm PTFE sheet is used. | |
flat nose tweezers | |||
glass funnel | |||
gold leaf on transfer sheets | Giusto Manetti Battiloro | 24K | |
graduated glass cylinder | |||
hairdryer or a heat gun | e.g. Philips | ||
infrared ligth bulb | e.g. Philips | ||
liquid nitrogen | CAUTION: Never close the lid of a liquid nitrogen container tightly. The pressure build-up could cause serious injuries. | ||
magnetic stirrer / hotplate | |||
magnetic stirrer bars | about 1 cm long | ||
metal pipe | e.g. d = 3 cm | ||
metal ruler | |||
micrometer thickness gauge | Mitotuyo | range 0-25 mm, precision 0.001 mm | |
N,N-dimethylacetamide (DMAc) | Sigma Aldrich | 99.5% | |
paintbursh | |||
plastic embroidery hoops | e.g. Pony | select the diameter depending on the desired batch size (e.g. 7.5 cm to 25 cm) | |
plastic Pasteur pipettes | |||
polyethylene-based laboratory stretch film | DuraSeal | ||
polyvinylidene difluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) | Sigma Aldrich | Mn = 130000, Mw = 400000 | |
polyvinylidene fluoride (PVDF) | Sigma Aldrich | Mw (g/mol) = 534000 | |
potentiostat/galvanostat/FRA | PARSTAT 2273 | needed for electrochemical characterization | |
propylene carbonate (PC) | Merck | 99% | |
PTFE filtration membrane | Omnipore | JVWP14225 | 0.1 µm pore size, hydrophilic , 142 mm diameter, 30 µm thickness, 80% porosity |
PTFE filtration membrane | Omnipore | JGWP14225 | 0.2 µm pore size, hydrophilic , 142 mm diameter, 65 µm thickness, 80% porosity |
scalpel | |||
scotch tape | |||
silk (woven textile) | Esaki Model Manufacturing | #3 | 11.5 g/m2 |
soldering equipment | local hardware store | For connecting the ~150 µm gold plates to the clips | |
spray gun, airbrush | Iwata HP TR-2 | ||
sputter coater | Leica EM ACE600 | ||
tabletop scanning electron microscope | Hitachi TM3000 | ||
ultrasonic processor | Hielscher UP200S |