Formprogrammerbare dielektriske flydende krystalelastomeraktuatorer

Materialeforskere sigter mod at bruge bioinspirerede bløde robotter til at udføre avancerede interaktioner mellem mennesker og robotter, men den tilhørende teknologi mangler at blive udviklet. For eksempel, bløde aktuatorer skal udføre hurtigt med kraft for at levere programmerbare formændringer, og enhederne skal være lette at fremstille og energieffektive til uforbundne applikationer. I en ny rapport om Videnskab fremskridt , Zoey S. Davidson og et tværfagligt forskerhold i afdelingerne for fysisk intelligens, Materialevidenskab og teknik, og School of Medicine i Tyskland, USA og Tyrkiet, kombinerede flere interessekarakteristika ved hjælp af to forskellige aktive materialesystemer til at bygge bløde robotter.

Forskerne integrerede hurtig og meget effektiv aktivering med dielektriske elastomerer (DE) og styret formprogrammerbarhed ved hjælp af flydende krystalelastomerer (LCE). Ved hjælp af top -down fotojusteringsteknikker, de programmerede derefter molekylær justering og lokaliserede kæmpe elastisk anisotropi i flydende krystalelastomerer. Forskerne udviklede lineære aktiverede monolitter af flydende krystalelastomer med belastningshastigheder over 120 procent, pr. sekund, og en energiomsætningseffektivitet på 20 procent, når belastninger flyttes over 700 gange elastomerens vægt. Mekanismen vil tillade nye forskningsmuligheder i miniaturiseret formprogrammerbarhed og effektivitet sammen med øgede frihedsgrader for applikationer inden for blød robotik i tværfaglig forskning.

Materialrobotikforskere betragter kompatible aktuatorer som den manglende nøgle til at danne effektive menneskelige og robotinterfaces. Kompatible bløde aktuatorer vil ideelt set være yderst effektive, opretholde forholdet mellem styrke og vægt, arbejdskapacitet og form programmerbarhed til at fuldføre komplekse funktioner. Bløde aktuatorer med sådanne egenskaber vil fungere meget som en kunstig muskel med avancerede applikationer inden for luftfart, robotik, hospitalsudstyr, energiindsamlingsudstyr og i wearables. Blandt de forskellige bløde aktuatorer, der blev undersøgt, dielektriske elastomerer (DE'er) er de mest lovende. Parallelt, flydende krystalelastomerer (LCE'er) kan undergå reversibel mekanisk deformation ved hjælp af lys og termisk aktivering nær faseovergangstemperatur. Fremskridt inden for fotojustering og mikrofabrikation har gjort det muligt for forskere at forprogrammere flydende krystaljustering i mikroskopiske områder til kompleks formformning. Imidlertid, eksisterende mekanismer kræver fremstillingsmetoder i flere trin, mens indsatsen for at overføre elektrisk energi til mekanisk arbejde ved hjælp af LCE er begrænset på grund af den lille belastning, de genererer.

I det nuværende arbejde, Davidson et al. mønstret LCE (flydende krystalelastomerer) til at skræddersy rumlig variation af mekanisk overensstemmelse (overføre en inputkraft og forskydning gennem elastisk kropsdeformation) og udvikle mere effektive dielektriske elastomeraktuatorer med forprogrammerbarhed og aktiveringsretning (kompression). Generelt, DE (dielektrisk elastomer) aktuatorer fungerer ved hjælp af elektrostatisk tiltrækning mellem to kompatible elektroder skabt på modsatte sider af en isotrop DE for at konstruere en variabel modstand-kondensator. Høj spænding påført de kompatible elektroder kan forårsage et elektrostatisk tryk kendt som Maxwell stress for at deformere DE; til elektrisk aktivering. Denne mekanisme kan producere en højere driftseffektivitet og højere aktiveringshastighed end LCE'ernes. Imidlertid, trods nogle imponerende resultater, DE-aktuatorer har endnu ikke opnået udbredt anvendelse inden for blød robotik på grund af eksisterende udfordringer, der kan overvindes ved hjælp af innovative materialer til konstruktion af næste generation, højtydende DE'er med formprogrammerbarhed.

Davidson et al. direkte undersøgt den store mekaniske anisotropi (for at øge belastningens lokalisering) af LCE -materialer ved hjælp af elektrisk aktivering, uden at stole på molekylær rotation. De omfattede nylige fremskridt inden for materialevidenskab til konstruktion af yderst effektive og formprogrammerbare DE'er; betegnes som dielektriske LCE -aktuatorer (DLCEA). Forskerne justerede LCE-molekyler i lokale domæner for at opnå elektrisk drevet aktivering og tillade formformning ved stuetemperatur for at demonstrere store, hurtige og kraftige belastninger.

Forskerteamet udviklede LCE-filmene i en totrinsproces; først, de udviklede kortvarigt en oligomer, efterfulgt af LCE-filmfremstilling under anvendelse af en thiol-acrylat-klikreaktion. De indstillede det nøjagtige forhold mellem komponenter, valget af monomer og dithiol -linker, for at justere de ønskede mekaniske egenskaber for den sidste LCE -film. Arbejdet frembragte store områder med velordnet ensartet LCE med stor elastisk anisotropi. Forskerne påførte kompatible fedtelektroder på begge sider af LCE -filmen for at skabe DLCEA (dielektrisk LCE -aktuator) -enheder.

Davidson et al. derefter karakteriseret (testet) materialerne, der starter med monodomain uniaksialt justerede LCE -film. Næste, de testede de uniaksiale DLCEA'er i isometriske (konstant stamme) og isotoniske (konstant kraft) konfigurationer. For eksempel, under isometriske test, de påførte indledende belastninger på DLCEA -enheder og tillod afslapning, før de påførte en højspænding til elektrisk aktivering. Under isopotentiale tests (hvor hvert punkt i en region eller et rum har samme potentiale), forskerne anstrengte DLCEA under en konstant spænding for at angive forventet aktivering.

Ved hjælp af den samme DLCEA, forskergruppen udførte isotoniske tests ved at suspendere en række vægte fra enhedens frie ende for at generere konstante belastningskræfter og indledende nominelle belastninger. De afladede derefter pludselig den vægtede DLCEA-enhed og fangede efterfølgende bevægelse ved hjælp af en højhastighedsvideo. Da den eksperimentelle belastning og belastning steg, kapacitansen for DLCEA steg.

Under kompleks formaktivering, grænsebetingelser spillede en væsentlig rolle for at bestemme formændringen af ​​DLCEA. Forskergruppen forstod rollen som grænsebetingelser ved at karakterisere den bukkende effekt forårsaget af elastomerens ekspansion mellem faste grænser, de observerede stigende knækamplitude med stigende spænding. Aktiveringstoppen var også et andet karakteristisk træk for DLCEA -applikationer, forskerne målte ændringen i aktiveringsamplitude som en funktion af anvendt frekvens ved hjælp af et sinusformigt varierende 1-kV potentiale. Selvom aktiveringsamplituden faldt eksponentielt med frekvensen, forskerne målte parametrene (50 µm) ved 30 Hz og 1 kV.

For derefter at demonstrere evnen til at forprogrammere komplekse mønstre i 2-D, efterfulgt af elektrisk aktivering af filmene i 3-D-former, forskerne designede rumligt varierende LCE -direktørkonfigurationer. De observerede LCE-filmen for at spænde ud af flyet med lokalt positiv eller negativ gaussisk krumning for at danne kegler eller antikegle-deformation i elastiske medier. Davidson et al. observerede den lokalt programmerede højdeændring og ledsagende dannelse af gaussisk krumning i den eksperimentelle enhed. Forskerne krediterer den observerede høje effektivitet i systemet til anisotropien af ​​elastisk modul og Poissons forhold. Materialet Poissons forholdsanisotropi er en vigtig funktion, der kan tillade programmeret aktivering af formændringer. Efter mekanisme, den aktiverede eller komprimerede LCE kan udvide sig på tværs for at skabe en formændring. Den eksperimentelle metode, der er udviklet i dette arbejde, kan generaliseres for at skabe en lang række programmerbare formændringer. Følgelig, når et elektrisk felt påføres DLCEA, enheden kan producere snoede bevægelser, hvor størrelsen vil afhænge af materialets iboende egenskaber og af LCE -geometrien.

På denne måde, Zoey S. Davidson og kolleger kombinerede ønskede egenskaber ved DE'er og LCE'er inden for en enkelt materialeplatform for at danne elektrisk aktiverede DLCEA'er med overlegen aktiveringsydelse. Enhederne viste høj energiomdannelseseffektivitet (20 procent) høj aktiveringshastighed (120 procent pr. Sekund) og programmerbar formændring fra 2-D til 3-D med mere end 1, 800 procent slagtilfælde uden for flyet. For større aktiveringskræfter, forskergruppen overvejer flerlags DLCEA -stakke.

Den indsigt, der er givet i dette arbejde om teknikker til integration af aktive materialer og mekanismer for elektroaktivering, kan tilbyde flere spændende muligheder. Metoderne kan kobles til 3D-udskrivning, origami og kirigami aktiveringsstrategier til at skabe multifunktionelle bløde robotter med lave omkostninger og bæredygtige materialer som sparsomme opfindelser. Den udviklede mekanisme kan også anvendes på andre teknologier såsom energihøstning og -lagring, til medicinsk udstyr, bærbar teknologi og rumfart.

© 2019 Science X Network