Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Yumuşak İnce Film Aktüatörlerin Tasarımı, İmalatı ve Gösterimi

524 görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/68951

⸱

29 Ağustos 2025

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

Bu makalede

Özet

Yumuşak aktüatörler, yumuşak robotların ve giyilebilir cihazların imalatında kullanılabilir. Uyumlulukları, deforme olduklarında bile işlevselliği korumalarını sağlar. Burada, yumuşak ince film aktüatörleri imal etmek ve bunların sürünen robotlarda, yumuşak robotik tutucularda ve dokunsal geri bildirim arayüzlerinde uygulamalarını göstermek için bir protokol sunulmaktadır.

Özet

Yumuşak aktüatörler, yumuşak robotik ve insan-makine arayüzlerindeki uygulamalarla ilgili umut verici özellikler sunar. Özellikle insan derisi ile doğrudan arayüz oluştururken, yumuşak ince aktüatörler mekanik bağlantıyı insan dokusuyla eşleştirebilir. Yumuşak aktüatörlerin performansını ve sağlamlığını artırmanın araştırılması, esnek cihazların geliştirilmesi için çok önemlidir. Sağlam ve esnek cihazlara olan talep, aktüatörlerin performansı ve üretim yöntemleri açısından zorluklar doğurmaktadır. Makale, yumuşak ince film aktüatörlerin tasarımı ve üretimi için teknikleri göstermektedir. Bu yumuşak aktüatörler sağlamdır ve çok yönlü senaryolarda potansiyel gösterir. Bu protokol, ince film aktüatörlerin üç farklı uygulamadaki potansiyelini göstermektedir. İlk olarak, yumuşak ince film aktüatörler tarafından tahrik edilen bir sürünme robotu üretildi. Robot son derece sağlamdır. Sürekli çekiçlemeye dayanabilir ve vücudundan üç metal iğne delinmiş olsa bile işlevsel kalabilir. İkincisi, bir kağıt parçasını zarar vermeden kavramak gibi ince manipülasyonlar yapabilen yumuşak bir robotik tutucu üretildi. Üçüncüsü, insan derisi ile etkileşime girdiğinde dokunaklı geri bildirim sağlayabilen ince film aktüatörlü bir dokunsal geri bildirim cihazı üretildi. Bu protokol, sağlam yumuşak robotları sürmek için çeşitli uygulama potansiyeline sahip sağlam yumuşak ince film aktüatörler için verimli üretim süreçlerini gösterir.

Giriş

Sert motorlarla karşılaştırıldığında, esnek aktüatörler üstün uyumluluk ve uyarlanabilirlik sergiler1. Yumuşak robotların ve sensörlerin üretiminde yaygın olarak kullanılırlar. Mevcut yumuşak aktüatör türleri arasında pnömatik aktüatörler2, kimyasal yakıt aktüatörleri3, hidrolik aktüatörler4, şekil hafızalı alaşım (SMA) aktüatörler5, dielektrik elastomer aktüatörler6 ve elektroaktif polimer aktüatörler7 bulunur. Bu araştırmanın amacı, basit bir üretim sürecine ve sağlam performansa sahip esnek bir aktüatör tasarlamaktır. Yukarıdaki özellikler aşağıdaki metinde açıklanacaktır.

Geliştirilen yumuşak ince film aktüatör (STFA), elektroyapışma (EA) prensibi8 ile çalışır. STFA'ların yapısı ve çalışma prensibi Şekil 1'de gösterilmiştir. Yapısı, aktif bir tabaka ve bir hava boşluğu ile ayrılmış bir alt tabaka tabakasından oluşur. Bir voltaj uygulandığında, aktif katmandaki elektrotlar, alt tabaka katmanında zıt yüklere neden olan elektrik alanları oluşturur. Bu yükler arasındaki elektrostatik çekim, aktif katmanın alt tabakaya doğru bükülmesine neden olur. STFA'nın çalıştırılması, gerilim sinyalinin frekansı ve genliği modüle edilerek kontrol edilebilir.

STFA'lar, mekanik bozulmalar altında hızlı çalıştırma sağlayabilir ve işlevselliği koruyabilir. Örneğin, STFA'ları kullanan sürünen bir robot, sürekli çekiç darbeleri9 altında işlevselliğini korudu ve hatta üç metal iğne ile delindi ( Ek Video 1 ve Ek Video 2'de gösterilmiştir). Tutucular olarak esnek aktüatörler, uyarlanabilirlik açısından sert muadillerinden daha iyi performans gösterir10. Uyumlu yüzeyleri, nesne geometrilerine yakından uyum sağlar ve kavrama sırasında kırılgan öğelere yönelik hasar risklerini en aza indirir.

STFA'ların operasyonel stabilitesi, giyilebilir uygulamaların gereksinimlerine uygundur. Uzamsal olarak hedeflenmiş dokunsal çalıştırma yoluyla elektrik sinyallerini doğrudan mekanik uyaranlara dönüştürürler. STFA'larla oluşturulan dokunsal geri bildirim arayüzü, çok yoğunluklu sinyalleri parmak uçlarına ileterek etkili bilgi aktarımı sağlar9.

Bu çalışmanın ana katkısı, basit bir üretim süreci ile verimli bir aktüatör önermektir. STFA esnektir, sağlamdır ve güç tüketimi açısından iyi bir performans sergileyebilir. STFA'ların çok işlevli potansiyelleri üç uygulama ile doğrulanır: sürünen robotlar, yumuşak robotik tutucular ve dokunsal geri bildirim arayüzleri. Sürünen robotlar, STFA'ların hareket sürüş yeteneklerini sergiliyor. Dokunsal geri bildirim arayüzleri, insan-makine etkileşimi faydalarını vurgular. Bu uygulamalar, STFA'ların yumuşak robotik ve giyilebilir teknolojilerdeki potansiyelini toplu olarak doğrulamaktadır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Bu protokol, STFA ve STFA tabanlı tarama robotlarının, yumuşak robotik tutucuların ve dokunsal geri bildirim arayüzlerinin üretim aşamalarını açıklar. Şekil 2, Şekil 3, Şekil 4 ve Şekil 5 , adım adım cihaz üretim sürecini göstermektedir. Bu çalışmada kullanılan reaktifler ve ekipmanlar Malzeme Tablosunda listelenmiştir.

1. Yumuşak ince film aktüatör imalatı

  1. Sayısallaştırılmış elektrot desenini tasarlayın (Şekil 2A).
  2. Lazer kazıma parametrelerini yapılandırın (kesme: güç = 20, hız = 10, PPI/Hz = 1000).
  3. 30 cm × 20 cm boyutlarında, alüminyum kaplamalı (100 μm kalınlığında) bir parça polietilen tereftalat (PET) folyo kesin.
  4. PET folyoyu alüminyum tarafı yukarı bakacak şekilde lazer kesici çalışma alanına yerleştirin.
  5. PET folyonun lazer desenlemesini gerçekleştirin (gravür: güç = 55, hız = 100, PPI/Hz = 1000, kesme: güç = 20, hız = 10, PPI/Hz = 1000, Şekil 2B ve Şekil 2C).
  6. Elektrik kablolarını takın: Desenli PET folyonun terminal pedlerine iki kablo yerleştirin. İletken yapıştırıcı ile bağlantıları sabitleyin.
  7. Cihazı kapsülleyin: PET folyo-kurşun arayüzünü yapışkan bantla tamamen kapatın (Şekil 2D).
    NOT: STFA'nın tamamlanmış örneği Şekil 2E'de gösterilmiştir.

2. Sürünen robotun imalatı

  1. CAD yazılımını kullanarak emekleme robotu için ön ve arka bacağın üstten görünüm desenini çizin (Şekil 3A).
  2. 100 μm kalınlığında polietilen tereftalat (PET) folyodan lazer kesici kullanarak bacak desenlerini kesin (kesme: güç = 20, hız = 10, PPI/Hz = 1000, Şekil 3B).
  3. İki adet 0,1 mm kalınlığında çift taraflı yapışkan bant hazırlayın (her biri 11 mm × 3 mm). Bunları STFA'nın ön ve arka uçlarına takın (Şekil 3C).
  4. Uzuvların uçlarını cımbızla yaklaşık 45° bükün ve uçların tutarlı bir açı oluşturduğundan emin olun (Şekil 3D).
  5. Toplam boyutları 35 mm × 11 mm olan, 1 mm genişliğinde elektrotlara ve 0,5 mm elektrotlar arası mesafeye sahip bir STFA üretin.
  6. Ön ve arka ayakları STFA'ya yapıştırarak emekleme robotunu monte edin (Şekil 3E).

3. Yumuşak robotik tutucunun imalatı

  1. STFA'yı substrat olarak Polidimetilsiloksan (PDMS) ile üretin:
    1. Bir karıştırma kabına 20 g PDMS Sylgard kısım A ve 0.4 g kısım B ekleyin ve silikonu bir Vakumlu karıştırıcı ile karıştırın (faz 1: basınç = 100 kPa, çalışma süresi = 30 s.; faz 2: basınç = 1 kPa, çalışma süresi = 30 s).
    2. Karışık silikonu A2.7 boyutunda bir PET alt tabakaya uygulamak için mikro otomatik kaplama makinesini (çalışma hızı = 4, sıyırıcı yüksekliği = 4 mm) kullanın.
    3. Maskeyi sayısallaştırılmış elektrot deseni ile kesin (kesme: güç = 20, hız = 10, PPI/Hz = 1000, Şekil 4B).
    4. Maskeyi silikon kaplı PET üzerine yerleştirin ve elektrotları oluşturmak için karbon tozu püskürtmek için bir airbrush (meme mesafesi 10 cm, 15 psi basınç, 45-60 derece açı ve 5 mL dozaj ile) kullanın (Şekil 4C).
    5. Maskeyi çıkarın ve maske çıkarıldıktan sonra bitişik elektrotlar arasında karbon tozu lekesi olmadığını doğrulayın (Şekil 4D).
    6. STFA'yı kesin ve P(VDF-TrFE-CTFE) tozunu Dimetil Formamid (ağırlıkça %4,76) içinde çözün11. Karışık çözeltiyi elektrot üzerine püskürtmek için airbrush'ı (meme mesafesi 10 cm, 15 psi basınç, 45-60 derece açı ve 10 mL dozaj ile) kullanın (Şekil 4E).
    7. Elektrik kablolarını STFA'ya takın (Şekil 4F).
    8. A4 boyutlu PET alt tabakayı çıkarın
  2. STFA'ları robotik kola entegre edin.
  3. Elektrik bağlantılarını yönlendirin.

4. Dokunsal geri bildirim arayüzünün imalatı

  1. Toplam boyutları 35 mm × 11 mm olan, 1 mm genişliğinde elektrotlara ve 0,5 mm elektrotlar arası mesafeye sahip bir STFA üretin.
  2. STFA için örtü katmanı ve alt tabaka katmanı desenlerini tasarlayın (Şekil 5A).
  3. Alt tabaka katmanı için dış kontur desenini tasarlayın (Şekil 5B).
  4. Adım 1'i takiben kapak ve alt tabaka katmanlarının lazerle kesilmesi (kesme: güç = 20, hız = 10, PPI/Hz = 1000, Şekil 5C).
  5. Adım 4.3'teki kontur desenine uyan 0,8 mm kalınlığında bir yapışkan bandı lazerle kesin ve alt tabaka katmanına yapıştırın (kesme: güç = 20, hız = 10, PPI/Hz = 1000, Şekil 5D).
  6. STFA'yı alt tabaka katmanına yapıştırın (Şekil 5E).
  7. Örtü katmanını alt tabaka katmanına yapıştırın (Şekil 5F).
  8. Dokunsal geri bildirim arayüzünü monte etmek için STFA'yı konektörlerle entegre edin (Şekil 5G).
    NOT: Dokunsal geri bildirim arayüzünün yapısı ve tamamlanmış örneği Şekil 5H,I'de gösterilmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Önerilen yöntemi göstermek için protokol, prototip cihazların imalatını ve işlevsel doğrulamanın performansını ana hatlarıyla belirtir. İlk olarak, STFA'nın üretim süreci detaylandırılır. Şekil 2A , kurşun bağlantısı için bağlantı pedlerinde sonlanan sayısallaştırılmış elektrotlardan oluşan tasarlanmış elektrot modelini göstermektedir. Şekil 2E, tamamlanan STFA'yı göstermektedir. Çalışma sırasında, bitişik interdigital elektrotla...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Bu metodoloji kullanılarak, STFA'ların başarılı bir şekilde üretilmesi sağlandı ve bunu üç farklı uygulamada potansiyelleri gösterildi. STFA üretimi üç kritik adımdan oluşur: (1) uygun 2D tasarım: elektrot modeli geometrisi aktüatörün boyutlarını belirlerken, sayısallaştırılmış elektrotların miktarı ve boyutları çalıştırma performansını kritik bir şekilde belirler; (2) güvenilir elektrik arabirimi: alüminyum elektrot tabakasının dış uçlara uygun şekilde bağlanması, iletken yapıştırıcı ku...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar, rekabet eden herhangi bir mali çıkarları olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

Bu çalışma Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (Hibe No. 52175048) tarafından finanse edilmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
0,1 mm Çift taraflı bant3 milyon
0,8 mm Çift taraflı bant3 milyonVHB
3D yazıcıBambuX1-Karbon
AirbrushSıkmaLP-131 SerisiNozul mesafesi 10 cm, basınç 15 psi, açı 45 ila 60 derecedir
Otomatik CADAutodesk
iletken yapıştırıcıJinshida HakkındaK-818
Dimetil FormamidMacklin HakkındaCAS 68-12-2
Lazer kesiciTrotec Hakkında400. ÇeyrekGravür: güç=55, hız=100, inç başına darbe (PPI)/Hz = 1000
Kesme: güç = 20, hız = 10, PPI/Hz = 1000
Mikro otomatik kaplama makinesiBEV'ler1818HÇalışma hızı = 2, sıyırıcı yüksekliği = 0,7 mm
P(VDF-TrFE-CTFE)Piezotech-Arkema
Alüminyum ile polietilen tereftalat (PET) folyoPinhao Technology 
Robotik kolEvet botAm1
Silikon Elastomer TabanSylgard184
Tek taraflı bantŞarküteri

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Daha fazla makale keşfet

Yumuşak RobotikAktüatör ÜretimiEsnek Cihazlarİnsan-Makine ArayüzleriRobotik TutucuHaptik Geri Bildirim CihazıMekanik KenetlenmeDayanıklı Aktüatörlerİnce Film Aktüatör Tasarımı

Bu makale yayımlandı

Video yakında

Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.