Cet article décrit un processus de fabrication rapide et simple de matériaux composites ioniques électromécaniquement actifs pour les actionneurs dans les applications biomédicales, biomimétiques et robotiques douces. Les principales étapes de fabrication, leur importance pour les propriétés finales des actionneurs et certaines des principales techniques de caractérisation sont décrites en détail.
Les stratifiés capacitifs électromécaniquement actifs ioniques sont un type de matériau intelligent qui se déplacent en réponse à la stimulation électrique. En raison de la nature douce, conforme et biomimétique de cette déformation, les actionneurs faits du stratifié ont reçu un intérêt croissant pour la robotique douce et (bio)applications médicales. Cependant, des méthodes pour fabriquer facilement le matériau actif en grandes quantités (même industrielles) et avec une forte répétabilité par lots à lot et en lot sont nécessaires pour transférer les connaissances d’un laboratoire à l’autre. Ce protocole décrit une méthode simple, industriellement évolutive et reproductible pour la fabrication de laminates électromécaniques de capacité électromécaniquement actifs à base de carbone ionique et la préparation d’actionneurs qui en sont fabriqués. L’inclusion d’une couche moyenne passive et chimiquement inerte (insoluble) (par exemple, un réseau de polymères renforcés par textile ou un téflon microporous) distingue la méthode des autres. Le protocole est divisé en cinq étapes : préparation de membrane, préparation d’électrodes, attachement actuel de collecteur, coupe et mise en forme, et actionnement. Suivre le protocole entraîne un matériau actif qui peut, par exemple, saisir et tenir un objet de forme aléatoire comme le démontre l’article.
Les composites polymères ou polymères ioniques électromécaniques actifs sont des matériaux intrinsèquement mous et conformes qui ont suscité un intérêt croissant pour différentes applications robotiques et biomimétiques douces (p. ex., en tant qu’actionneurs, pinceurs ou robots bioinspirés1,2). Ce type de matériau répond aux signaux électriques de la gamme de quelques volts, ce qui les rend faciles à intégrer à l’électronique conventionnelle et aux sources d’énergie3. De nombreux types différents de matériaux de base d’actionneur ionique sont disponibles, comme décrit en détail ailleurs4, et encore très récemment5. En outre, il a été particulièrement souligné récemment que le développement de dispositifs robotiques mous sera très étroitement lié au développement de procédés de fabrication de pointe pour les matériaux actifs pertinents et les composants6. De plus, l’importance d’un flux de processus efficace et bien établi dans la préparation d’actionneurs reproductibles qui ont le potentiel de passer du laboratoire à l’industrie a également été soulignée dans les études précédentes fondées sur des méthodes7.
Au cours des dernières décennies, de nombreuses méthodes de fabrication ont été développées ou adaptées à la préparation des actionneurs (p. ex., coulée couche par couche8 et9,10, réduction de l’imprégnation11, peinture12,13, ou pulvérisation et synthèse électrochimique subséquente14,15, impression en jet d’encre16 et spin-coating17); certaines méthodes sont plus universelles, et certaines sont plus limitatives en termes de sélection des matériaux que d’autres. Cependant, bon nombre des méthodes actuelles sont assez compliquées et/ou plus adaptées à la fabrication à l’échelle de laboratoire. Le protocole actuel met l’accent sur une méthode de fabrication rapide, répétable, fiable, automatisable et évolutive pour produire des stratifiés actifs avec une faible variabilité par lots et en lot et une longue durée de vie d’actionneur18. Cette méthode peut être utilisée par les scientifiques des matériaux pour développer des actionneurs de haute performance pour la prochaine génération d’applications bio-inspirées. En outre, suivre cette méthode sans modifications donne aux ingénieurs et aux enseignants en robotique douce un matériau actif pour le développement et le prototypage de nouveaux appareils, ou pour l’enseignement de concepts de robotique douce.
Les actionneurs polymères ou polymères ioniques électromécaniques actifs sont généralement faits de composites laminaires à deux ou trois couches et se plient en réponse à la stimulation électrique dans la gamme de quelques volts(figure 1). Ce mouvement de flexion est causé par les effets de gonflement et de contraction dans les couches d’électrodes, et il est généralement apporté soit par des réactions faradaïques (redox) sur les électrodes (par exemple, en cas de polymères électromécaniquement actifs (PPE) comme les polymères conductifs) ou par charge capacitif de la double couche (par exemple, dans les électromérites polymères à base de carbone, où le polymère pourrait seulement agir comme un liant). Dans ce protocole(figure 2), nous nous concentrons sur ce dernier; nous montrons la fabrication d’un composite électromécaniquement actif qui se compose de deux hautes surfaces spécifiques électrodes à base de carbone conducteurs électroniques qui sont séparées par une membrane inerte ion-conductive qui facilite le mouvement des cations et des anions entre les électrodes – une configuration très similaire aux supercapacitors. Ce type d’actionneur se plie en réponse à la charge/décharge capacitif et à l’enflure/contraction résultante des électrodes est généralement attribuée aux différences dans le volume et la mobilité des cations et des anions de l’électrolyte8,10,19. À moins que le carbone fonctionnalisé en surface ne soit utilisé comme matériau actif ou que le composite capacitif ne soit utilisé en dehors de la fenêtre potentielle de stabilité électrochimique de l’électrolyte, aucune réaction faradaïque ne devrait avoir lieu sur ce type d’électrodes20. L’absence de réactions faradaïques est le principal contributeur à la durée de vie bénéfiquement longue de ce matériel d’actionneur (c.-à-d. des milliers de cycles dans l’air8,18 montrés pour différents actionneurs capacitifs).
Figure 1 : La structure de l’actionneur à base de carbone dans le neutre (A) et dans l’état actionné (B). (B) souligne également les principales caractéristiques qui déterminent la performance d’un actionneur ionique. Remarque : le chiffre n’est pas dessiné à l’échelle. La taille de l’ion a été exagérée pour illustrer le mécanisme d’actionnement le plus couramment cité répandu dans le cas d’une membrane inerte qui permet la mobilité des anions et des cations de l’électrolyte (par exemple, le liquide ionique). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
L’obtention d’une membrane fonctionnelle qui reste intacte tout au long du processus de fabrication est l’une des étapes clés de la préparation réussie de l’actionneur. Une membrane haute performance pour un actionneur est aussi mince que possible et permet une conductivité ionique entre les électrodes tout en bloquant toute conductivité électronique. La conductivité ionique dans la membrane peut résulter de la combinaison de l’électrolyte avec un réseau poreux inerte (par exemple, l’approche utilisée dans ce protocole) ou par l’utilisation de polymères spécifiques avec des unités ionisées covalententement collées ou d’autres groupes qui permettent des interactions avec l’électrolyte. La première approche est préférée ici pour sa simplicité, tandis que les interactions spécifiquement adaptées entre l’électrolyte et le réseau polymère pourraient également avoir des avantages, si des interactions défavorables (par exemple, le blocage ou le ralentissement du mouvement des ions de manière significative en raison d’interactions) peuvent être exclus. La vaste sélection de membranes ionomériques ou autrement actives pour les actionneurs électromécaniques actifs et leurs mécanismes d’actionnement qui en résultent a été revue récemment21. La sélection de membranes, en plus de la sélection d’électrodes, joue un rôle crucial dans le mécanisme de performance, de vie et d’actionnement de l’actionneur. Le protocole actuel se concentre principalement sur les membranes inertes qui fournissent la structure poreuse pour la migration des ions (comme indiqué sur la figure 1), bien que certaines parties du protocole (par exemple, l’option membrane C) pourraient également s’avérer bénéfiques pour les membranes actives.
En plus de la sélection du matériau membranaire, sa méthode de fabrication joue également un rôle important dans l’obtention d’un séparateur fonctionnel pour le composite. Les membranes coulées précédemment utilisées ont tendance à fondre au cours de l’étape plus tard de pressage à chaud et peuvent donc former des points chauds de court-circuit22. En outre, les membranes ionomériques commerciales (p. ex., Nafion) ont tendance à gonfler et à boucler de manière significative en réponse aux solvants utilisés dans les étapes de fabricationultérieures 12, et certains polymères (p. ex., cellulose23)sont connus pour se dissoudre dans une certaine mesure dans certains liquides ioniques, ce qui peut causer des problèmes de répétabilité du processus de fabrication et entraînant une faiblesse uniforme des électrodes. Par conséquent, ce protocole se concentre sur les actionneurs avec un composant passif intégral et chimiquement inerte dans la membrane (par exemple, la fibre de verre ou de soie avec PVDF ou PTFE) qui empêche le composite de gonfler et de boucler dans les étapes de fabrication ultérieures ou de former des points chauds court-circuit. En outre, l’ajout d’un composant inerte et passif simplifie le processus de fabrication de manière significative et permet de plus grandes tailles de lots par rapport à des méthodes plus traditionnelles.
L’inclusion d’un renforcement passif dans la membrane a d’abord été introduite par Kaasik et al. 18 pour s’attaquer aux problèmes susmentionnels dans le processus de fabrication des actionneurs. L’inclusion d’un renforcement textile tissé (voir aussi figure 3B et 3D) introduit en outre la capacité d’intégrer des outils dans le composite actif24 ou de développer des textiles intelligents18. Par conséquent, l’option de membrane C dans le protocole est plus appropriée pour de telles applications. Toutefois, dans le cas des actionneurs miniaturisés (au niveau du sous-millimètre), le rapport de composant passif-actif dans la membrane devient de plus en plus défavorable et l’inclusion d’un renforcement textile ordonné pourrait commencer à influencer négativement la performance de l’actionneur et la répétabilité de l’échantillon à l’échantillon. De plus, la direction du renfort (le long ou en diagonale en ce qui concerne la direction de flexion) pourrait avoir un impact inattendu sur la performance d’actionneurs de forme plus complexe. Par conséquent, une structure inerte moins ordonnée et très poreuse serait plus bénéfique pour les actionneurs miniaturisés et les formes d’actionneurs plus complexes.
Polytetrafluoroethylene (PTFE, également connu sous le nom commercial Téflon) est l’un des polymères les plus inertes que l’on sache à ce jour. Il est généralement très hydrophobe, mais les versions traitées en surface qui sont rendus hydrophiles existent, qui sont plus facilement utilisables dans la fabrication d’actionneur. La figure 3A illustre la structure aléatoire d’une membrane de filtration hydrophile inerte PTFE qui a été utilisée dans ce protocole pour la préparation des actionneurs. En plus de l’uniformité de ce matériau dans toutes les directions qui est bénéfique pour découper les actionneurs miniaturisés ou les formes complexes, en utilisant une membrane de filtration commerciale avec porosité contrôlée simplifie davantage le processus de fabrication d’actionneur en éliminant presque le besoin de toute préparation de membrane. En outre, les épaisseurs de membrane aussi basses que 30 m sont extrêmement difficiles à obtenir dans la configuration précédemment décrite textile-renforcée. Par conséquent, les méthodes de fabrication d’actionneurs basées sur le PTFE (options A et B) de ce protocole devraient être préférées dans la plupart des cas, en tenant compte davantage de l’option A, mais les actionneurs effectués à l’aide de l’option B montrent des souches plus grandes (dans la plage de fréquence présentée dans la figure 4B). La pince molle introduite dans la section des résultats représentatifs a également été préparée à l’aide de la membrane PTFE d’abord trempée dans l’électrolyte.
Après qu’une membrane fonctionnelle a été préparée, le protocole se poursuit avec la préparation de l’électrode et l’attachement actuel de collecteur. Les électrodes à base de carbone sont ajoutées à l’aide de l’enduit de pulvérisation, une procédure établie industriellement qui permet un contrôle élevé sur l’épaisseur de la couche d’électrode qui en résulte. Des électrodes plus uniformes sont produites avec un revêtement de pulvérisation par rapport, par exemple, à la méthode de coulée (ou peut-être aussi d’autres méthodes liquides) où la sédimentation des particules de carbone pendant le séchage du film25 sont connues pour se produire. En outre, une autre caractéristique de la méthode de fabrication présentée repose dans la stratégie de sélection des solvants qui est la plus importante dans le cas des membranes renforcées par le textile. Plus précisément, la 4-méthyl-2-pentanone (le solvant dans la suspension d’électrode et la solution de colle) ne dissout pas les renforts de membrane inerte ou PVDF qui est utilisé dans la solution de membrane de la membrane textile-renforcée. Par conséquent, le risque de créer des points chauds de court-circuit dans le composite pendant le revêtement de pulvérisation est encore réduit.
Le stratifié capacitif est déjà actif après l’application d’électrodes de carbone. Cependant, un ordre de grandeur plus rapide actionneurs26 sont obtenus avec l’application de collecteurs de courant d’or. Une autre étape importante dans le protocole est l’attachement des capteurs actuels tandis que l’électrode correspondante est dans l’état étiré (c.-à-d., le composite est plié). Par conséquent, dans l’état plat neutre de l’actionneur, la feuille d’or sera bouclée au niveau du sous-millimètre. Cette approche tampon par27 permet des déformations plus élevées sans se casser que ce qui serait autrement possible pour une feuille de métal fine (100 nm).
Toutes les étapes de fabrication d’actionneurs (préparation de membrane, pulvérisation d’électrodes, pièce jointe actuelle du collecteur) ont également été résumées à la figure 2. Pour la démonstration de caractérisation de performance, nous avons préparé une pince qui est conforme saisissant, tenant et libérant un objet de forme aléatoire avec une texture de surface aléatoire. Des géométries plus simples, telles que des échantillons rectangulaires avec un rapport d’aspect 1:4 ou plus élevé (p. ex., 4 mm à 20 mm ou même 1 mm à 20 mm28)découpées du matériau actif et serrées dans la position en porte-à-faux sont également très typiques pour la caractérisation matérielle ou d’autres applications utilisant le comportement de type flexion.
L’article se termine par une brève introduction dans les techniques de caractérisation et de dépannage électromécaniquement actives typiques de matériel et de dépannage utilisant la géométrie d’actionneur rectangulaire plus simple. Nous montrons comment utiliser des techniques de caractérisation électrochimique communes comme la voltammétrie cyclique (CV) et la spectroscopie électrochimique d’impedance (EIS) pour caractériser et dépanner le matériel d’actionneur plus en détail. La visualisation du composite au niveau du sous-millimètre se fait à l’aide de la microscopie électronique à balayage (SEM), pour laquelle nous utilisons la technique de cryo-fracturation pour préparer les échantillons. La nature polymère du matériau rend difficile l’obtention de coupes transversales claires avec juste la coupe régulière. Cependant, la rupture d’échantillons congelés entraîne des sections transversales bien définies.
Figure 2 : Aperçu du processus de fabrication. Les étapes les plus importantes sont mises en évidence. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Nous avons présenté une méthode de fabrication simple, rapide, répétable et polyvalente pour la préparation composite électromécaniquement active pour diverses applications d’actionneur, et avec des modifications mineures également pour le stockage d’énergie, la récoltede 33 ou la détectionde 34 applications. La méthode actuelle se concentre sur les membranes avec un composant passif intégral et chimiquement inerte (par exemple, un réseau de polymères renforcés par le textile ou une membrane de téflon très poreuse, voir aussi la figure 3) parce que ces membranes simplifient considérablement le processus de préparation des actionneurs également à grande échelle. En outre, les membranes qui en résultent présentent un risque plus faible d’enflure et de boucle en raison de solvants (ou électrolytes) dans la suspension des électrodes ou de formation de points chauds de court-circuit par rapport à de nombreuses autres méthodes et matériaux communs de fabrication d’actionneurs.
Les étapes critiques de la préparation du stratifié de l’actionneur capacitif sont la préparation de la membrane, la fabrication d’électrodes, l’attachement actuel du collecteur, la coupe et le contact (figure 2). Chacune de ces étapes laisse place à la personnalisation et à l’optimisation des performances, mais aussi aux erreurs. Dans la section suivante, nous discuterons plus en détail des modifications bénéfiques et des stratégies de dépannage de cette méthode de fabrication. Un composite haute performance résulte de l’interaction de plusieurs aspects clés qui doivent être gardés à l’esprit : une conductivité électronique suffisante le long de l’électrode (ajouter le collecteur de courant d’or aux électrodes de carbone); conductivité ionique suffisante à travers la membrane (utiliser une membrane poreuse mince et une quantité suffisante d’électrolyse à faible viscosité, réduire le risque sur les interactions défavorables entre la membrane et l’électrolyte à l’aide d’un réseau de polymères inertes); surface élevée de l’électrode (sélectionnez un type de carbone approprié); électrolytes sur mesure qui entraînent un gonflement/contraction asymétrique des électrodes (sélectionnez un électrolyte approprié); paramètres mécaniques (moduli de Young des composants). Ces principaux aspects d’un actionneur à base de carbone à haute performance sont également mis en évidence à la figure 1B.
Une membrane haute performance est la partie centrale de ce composite. Il a deux tâches: prévenir la conductivité des électrons (circuits courts) entre les électrodes tout en permettant une conductivité ionique élevée. Les modifications apportées à la membrane pourraient servir à plusieurs fins, par exemple l’intégration des outils introduites par Must et coll.24 ou l’ajout de nouvelles propriétés (p. ex., biocompatibilité, biodégradabilité ou différentes propriétés mécaniques). La méthode de fabrication actuelle pourrait être modifiée pour utiliser d’autres polymères et électrolytes dans la membrane pour introduire de nouvelles propriétés au stratifié actif. Comme la stratégie de sélection des solvants introduite ici pour les actionneurs renforcés de textiles, il est conseillé de sélectionner des solvants plus pauvres pour la fabrication ultérieure d’électrodes par rapport à la préparation de la membrane. Cela garantit que la membrane reste fonctionnelle et intacte aussi après l’ajout d’électrodes.
La performance d’actionnement du composite final est influencée par le matériau électrode sélectionné (carbone), l’électrolyte et peut-être leur compatibilité les uns avec les autres. Ce protocole introduit la fabrication de stratifiés capacitifs à base de carbone à l’aide de carbone dérivé du carbure de bore et du liquide ionique 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluorometulfonate ([EMIM][OTf]). Cependant, le même protocole est adaptable à d’autres matériaux de carbone de surface spécifiques élevés, tels que les carbones dérivés du carbure provenant d’autres sources (par exemple, TiC35, SiC ou Mo2C36), nanotubes de carbone8,37, aerogel de carbone38 ou graphène39, et d’autres, comme également examiné récemment40. En outre, d’autres électrolytes pourraient également être utilisés dans la préparation de l’actionneur. L’obtention d’un composite fonctionnel ne se limite pas aux types de carbone et de liquide ionique présentés dans ce protocole. La taille des particules de carbone, leur agrégation possible dans la suspension d’électrode et la viscosité de suspension sont des paramètres plus cruciaux pour le processus de pulvérisation-revêtement.
Cette méthode permet la production de matériaux stratifiés électromécaniquement actifs avec des propriétés reproductibles en grandes quantités. La miniaturisation des actionneurs fabriqués à partir de ce matériau est principalement effectuée à l’aide d’une coupe de haute précision (p. ex., figure 3C). D’autres méthodes pour la préparation des structures fines, telles que le masquage, et le modelage sont possibles lors du revêtement de pulvérisation41. En outre, les structures à l’échelle du millimètre peuvent également être modelées dans l’étape subséquente d’attachement de collecteur de courant d’or. Cependant, à l’échelle inférieure aux millimètres, cela pourrait devenir assez difficile. D’autres types d’actionneurs ou d’actionneur à base de carbone sans collecteurs de courant d’or pourraient être plus faciles à préparer, si les caractéristiques patternables doivent être à l’échelle du micromètre.
Les actionneurs intrinsèquement doux qui répondent aux stimuli électriques ont de nombreux avantages grâce à leur nature douce et conforme, leur fonctionnement silencieux et leurs faibles niveaux de tension requis. Le protocole actuel montre comment produire de tels matériaus en plus grandes quantités et avec une forte répétabilité par lots à lot et à l’intérieur du lot sans compromettre les performances d’actionnement. Des modifications à la méthode actuelle pour incorporer des composants plus bio-amicals et peut-être aussi biodégradables qui permettraient d’utiliser des organismes vivants proches ou à l’intérieur en plus des approches d’encapsulation totale réussies, et l’intégration du matériel actif introduit dans des dispositifs robotiques ou biomédicaux mous sont envisagées pour l’avenir.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tient à remercier Ron Hovenkamp et Marcel Mulder de Philips Research pour des discussions utiles. Ces travaux ont été partiellement soutenus par le financement institutionnel de la recherche IUT (IUT 20-24) du Ministère estonien de l’éducation et de la recherche, par la subvention du Conseil estonien de la recherche (PUT1696), par le Fonds européen de développement régional, par le programme Mobilitas Pluss (Grant No MOBTP47), par le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de l’accord de subvention Marie Skôodowska-Curie No 793377 (BIOACT), et par le projet IMPACT-MII , un projet d’innovation EIT Health. EIT Health est soutenu par L’EIT, un organe de l’Union européenne.
~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 |