Name: rapid manufacturing of thin soft pneumatic actuators and robots
Uploaded: 2019-11-08T15:00:00
Duration: 8 min 47 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots at JoVE.com

Vi takker Dalio Institute of kardiovaskulære Imaging for finansiering dette arbeidet.

1. utjevning av TPU-arkene ved varme pressing
<ol><li>Kalibrer en kraftsensor som skal brukes i varme pressen.<ol>
<li>Smørbrød styrke sensoren mellom to lag med silikon (50 mm x 50 mm x 3 mm tykk). Plasser kraft sensoren og silikon lag mellom kompresjons plater/ambolter på strekk maskinen. Reduser avstanden mellom plater ved å dreieknappen på varme pressen med klokken og skrive ned styrken og motstanden til sensoren.</li>
		<li>Målområdet av sensoren ved hjelp av en digital tykkelse og dividere kraft verdiene av det målte området for å oppnå trykkdata. Tilpass en lineær linje til trykk versus motstands data ved hjelp av et regneark for å kalibrere sensoren.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Plasser kraft sensoren inne i varme pressen, og drei trykk knappen til et trykk på ~ 200 kPa leses fra sensoren.</li>
	<li>Bruk hansker for å unngå forurensning av TPU-filmene.</li>
	<li>Skjær fire lag med TPU med saks eller en laser kutter for å passe varme trykkplatene (30 mm x 30 mm). Plasser de fire arkene slik at alle fire kantene er justert.</li>
	<li>Plasser TPU-arkene inne i varme pressen.</li>
	<li>Still temperaturen på varmen Trykk på ~ 200 ° f (~ 93 c). Lukk varme pressen helt.</li>
	<li>Hold filmene inne i varme pressen i 10 min. Åpne varme trykk og fjerne laminert TPU filmer skal laserskåret i trinn 3,12.</li>
</ol>2. finne optimale laser parametre
<ol><li>Som beskrevet i avsnitt 1, varme trykk to lag av TPU.</li>
	<li>Ved hjelp av dataassistert design (CAD) programvare, designe en firkant med 20 mm sider og et rektangel på 4 mm x 8 mm som vil fungere som innløpet til den firkantede ballongen.</li>
	<li>Laser cut/sveis den firkantede mønster fra trinn 2,2 ut av TPU lag fra trinn 2,1 ved hjelp av følgende innstillinger i laser cutter programvare: sett pulser per tomme (PPI) til 500, variere kraften fra 10% til 100%, og for hver verdi av makt variere hastigheten fra 10% til 100%.</li>
	<li>Skjær enden av innløpet til den firkantede ballongen med saks.</li>
	<li>Sett inn en nål inne i den firkantede ballong innløpet, Påfør lim (tabell av materialer) rundt den, og vikle POLYTETRAFLUOROETHENE (PTFE) tape rundt tilkoblingen. Merk: etter 5 minutter er den klar til bruk.</li>
	<li>Identifiser gjennomsnittlig burst trykket av firkant ballongen ved å blåse den med en presis væske dispenser.</li>
	<li>Øk trykket i ballongen ved hjelp av den presise væske uttaket til det sprekker. Mål og skrive ned burst press. Gjenta dette trinnet 5x og få den gjennomsnittlige burst press.</li>
	<li>Gjenta trinn 2.1 − 2.7 for hele spekteret av kraft-og hastighets verdier og Identifiser det maksimale burst-trykket for den firkantede ballongen og de tilhørende kraft-og hastighetsverdiene som de optimale parametrene for laser maskinen.</li>
</ol>3. fabrikere av aktuatoren ved laserskjæring/-sveising
<ol><li>Design ønsket aktuator mønster ved hjelp av CAD-programvare. Merk: AutoCAD 2017 brukes i denne protokollen.</li>
	<li>Velg hele utformingen i CAD-programvaren ved å utheve alle segmenter i utformingen.</li>
	<li>På oppgavelinjen under delen Egenskaper , endrer du linjetykkelsen til 0 mm for at programvaren skal kunne skrives ut med laser kniven.</li>
	<li>Velg Skriv utpå oppgavelinjen. Endre skrivernavnet til "VLS 2.30" i menyen.</li>
	<li>Velg papirstørrelsen som brukerdefinert landskapi skriverinnstillinger.</li>
	<li>I plott skala -delen fjerner du markeringen for Tilpass til papir-alternativet og skalerer deretter bildestørrelsen til 1 mm = én enhets lengde.</li>
	<li>I plottet forskyvning (Origin satt til utskriftsvennlig område) sjekk sentrum av plot alternativet.</li>
	<li>Slå på luftfilteret ved å trykke på strømknappen.</li>
	<li>Slå på Lasers kniven ved å trykke på av/på-knappen eller ved å klikke på strømikonet på programvaren for Universal laser system -kontrollpanelet.</li>
	<li>I innstillingen alternativet, angi hastigheten = 60%, PPI = 500 og strøm = 80%. Merk: disse parametrene må kanskje endres basert på den spesifikke laser kraften i systemet som brukes.</li>
	<li>Bruk fokus visnings verktøyet til å flytte laser pekeren til venstre øverste hjørne og nederste høyre hjørne av mønsteret for å sikre at hele mønsteret passer inn i de laminerte TPU-filmene (30 mm x 30 mm) som er laget i trinn 1,10.</li>
	<li>For å fokusere laser maskinen, Flytt linse vognen til midten av bordet. Plasser fokus verktøyet på bordet og Flytt bordet opp til toppen av fokus verktøyet berører fronten av linse vognen. Deretter flytter du tabellen sakte til linse vognen treffer hakket på fokus verktøyet og dumper den fremover. Merk: laseren er fokusert og klar til bruk med parametrene i 3,11.</li>
	<li>Uten å endre plasseringen av TPU-arket, Kjør laseren på nytt, men Reduser hastigheten = 55%, Øk effekten = 85%, og behold PPI = 500.</li>
	<li>Utfør en tredje kjøring av laseren for å sikre at det ikke er lekkasjer i aktuatoren. Angi hastigheten = 50%, Øk effekten = 90%, og behold PPI = 500.</li>
</ol>4. bonding nåler i rustfritt stål med luer låse forbindelse
<ol><li>Skjær enden av ballongen aktuator innløp med saks.</li>
	<li>Sett inn en nål inne i ballongen aktuator innløpet, Påfør lim rundt det, og vikle PTFE tape rundt tilkoblingen. Merk: etter 5 minutter er den klar til bruk.</li>
</ol>5. karakteristikk av de myke aktuatorer
<ol><li>Monter et kamera over aktuatoren med tilstrekkelig avstand slik at aktuatoren er i full visning i kameraet både under trykk og unpressurized tilstander.</li>
	<li>Hold aktuatoren i en orientering slik at dens utslag ved trykksetting er ortogonale til kameraet.</li>
	<li>Øk trykket på aktuatoren med en presis væske dispenser til den deflects i sin fulle rekkevidde uten sprengning. Anta hele spekteret som maksimal utslag av aktuatoren uten plastisk deformasjon eller lekkasje eller sprengning på grunn av overtrykk.</li>
	<li>Øk aktuatoren trykket til den når ~ 20% av sin fulle rekkevidde og skrive ned trykket.</li>
	<li>Ta et bilde av aktuatoren ved hjelp av kameraet fra trinn 5,1, og bruk deretter et bildebehandlingsprogram (f.eks. imageJ) for å måle X-og Y-koordinatene til tuppen av aktuatoren i bildet.</li>
	<li>Gjenta trinn 5,4 og 5,5 til du har nådd hele spekteret for utslag av aktuatoren.</li>
	<li>Plot en X-Y graf av aktuatoren er utslag versus lufttrykket ved hjelp av en plotting programvare.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Moghadam, A. A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser+Cutting+as+a+Rapid+Method+for+Fabricating+Thin+Soft+Pneumatic+Actuators+and+Robots.">Laser Cutting as a Rapid Method for Fabricating Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots.</a> Soft Robotics. 5 (4), 443-451 (2018).</li><li>Paek, J. W., Cho, I., Kim, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microrobotic+tentacles+with+spiral+bending+capability+based+on+shape-engineered+elastomeric+microtubes.">Microrobotic tentacles with spiral bending capability based on shape-engineered elastomeric microtubes.</a> Scientific Reports. 5, (2015).</li><li>Gorissen, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+pneumatic+twisting+actuators+and+their+application+to+tilting+micromirrors.">Flexible pneumatic twisting actuators and their application to tilting micromirrors.</a> Sensors and Actuators A-Physical. 216, 426-431 (2014).</li><li>Gorissen, B., De Volder, M., De Greef, A., Reynaerts, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+and+experimental+analysis+of+pneumatic+balloon+microactuators.">Theoretical and experimental analysis of pneumatic balloon microactuators.</a> Sensors and Actuators A-Physical. 168 (1), 58-65 (2011).</li><li>Jeong, O. C., Konishi, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=All+PDMS+pneumatic+microfinger+with+bidirectional+motion+and+its+application.">All PDMS pneumatic microfinger with bidirectional motion and its application.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 15 (4), 896-903 (2006).</li><li>Konishi, S., Shimomura, S., Tajima, S., Tabata, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implementation+of+soft+microfingers+for+a+hMSC+aggregate+manipulation+system.">Implementation of soft microfingers for a hMSC aggregate manipulation system.</a> Microsystems &amp; Nanoengineering. 2, (2016).</li><li>Lu, Y. W., Kim, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microhand+for+biological+applications.">Microhand for biological applications.</a> Applied Physics Letters. 89 (16), (2006).</li><li>Ikeuchi, M., Ikuta, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+Pressure-Driven+Micro+Active+Catheter+using+Membrane+Micro+Emboss+Following+Excimer+Laser+Ablation+(MeME-X)+Process.">Development of Pressure-Driven Micro Active Catheter using Membrane Micro Emboss Following Excimer Laser Ablation (MeME-X) Process.</a> 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , (2009).</li><li>Sanan, S., Lynn, P. S., Griffith, S. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pneumatic+Torsional+Actuators+for+Inflatable+Robots.">Pneumatic Torsional Actuators for Inflatable Robots.</a> Journal of Mechanisms and Robotics. 6 (3), 031003 (2014).</li><li>Veale, A. J., Xie, S. Q., Anderson, I. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+Peano+fluidic+muscle+and+the+effects+of+its+material+properties+on+its+static+and+dynamic+behavior.">Modeling the Peano fluidic muscle and the effects of its material properties on its static and dynamic behavior.</a> Smart Materials and Structures. 25 (6), (2016).</li><li>Niiyama, R., Rognon, C., Kuniyoshi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Printable+Pneumatic+Artificial+Muscles+for+Anatomy-based+Humanoid+Robots.">Printable Pneumatic Artificial Muscles for Anatomy-based Humanoid Robots.</a> 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). , (2015).</li><li>Niiyama, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pouch+Motors:+Printable+Soft+Actuators+Integrated+with+Computational+Design.">Pouch Motors: Printable Soft Actuators Integrated with Computational Design.</a> Soft Robotics. 2 (2), 59-70 (2015).</li></ol>

Forfatterne har ingenting å avsløre.

De kritiske trinnene i fabrikasjon av de myke aktuatorer inkluderer: i) 2D CAD-designen. En riktig 2D-layout kan diktere deformasjon av aktuatoren (f.eks. lineær, biaksiale, bøying og rotasjonsbevegelse). II) laminering av TPU lag. Den TPU filmer er varme trykkes før laserskjæring for å sikre at lagene er flatt og i conformal kontakt overalt. III) laserskåret/sveis. Som det siste trinnet, er de laminerte TPU lagene laserskåret/sveiset i myke aktuatorer.
Suksessen rate av protokollen kan produsere en 100% yield (for eksempel, har vi gjort 20 aktuatorer samtidig). Den primære faktoren er laminering trinn: for å oppnå de beste resultatene, bør TPU slås sammen så mye som mulig før varme trykk prosessen.  Undersøke ulike regioner av varmen trykkplate med en kraftsensor kan vise at trykk fordelingen ikke er ensartet. Ikke-uniform trykkfordeling kan resultere i ufullkommen laminering av TPU ark, som igjen resulterer i ufullkommen laserskjæring/sveising og lekkasje. Alternativt kan ikke-uniform varmeoverføring på grunn av små rynker i TPU-filmen under laserskjæring/sveising forårsake lekkasje.
I forhold til konvensjonelle metoder, har den foreslåtte metoden flere fordeler, inkludert: i) enkel 2D-design. Mens den nåværende metoden krever bare 2D CAD design til laser cut/sveis aktuatorer (ulike mønstre er tilgjengelig1), konvensjonelle fabrikasjon metoder basert på silikon avstøpning krever en 3D mold design. II) rask fabrikasjon. Fabrikasjon tid fra CAD design til laminering av TPU lag og laser skjæring/sveising kan skje i flere minutter, mens den konvensjonelle fabrikasjon metoden vil ta flere timer. Ved å tillate fabrikasjon av myke enheter og myke roboter i et enkelt trinn, uten montering, myke roboter og enheter kan utformes fra en kombinasjon av ulike typer aktuatorer, og CAD-modellen kan laserskåret/sveiset inn i det endelige produktet i ett enkelt trinn uten å kreve noen montering. For eksempel, en svømming robot, bestående av fire ben hver består av to typer bøying aktuatorer, er fabrikkert fra en 2D CAD design på bare noen få minutter uten å kreve noen montering trinn, som tidligere vist1.
Som en fremtidig retning av dette arbeidet, kan ulike typer termoplastisk materialer bli vedtatt for fabrikasjon av de myke aktuatorer. Generelt, disse materialene må ha elastisk atferd som skal brukes som aktuatorer. Anvendelse av stivere termoplastisk materiale vil resultere i høyere burst-trykk og høyere blokkerings kraft av aktuatorer sammenlignet med de som tidligere var karakterisert i figur s6 av Moghadams et al.1, som viser styrker opp til 0,1 N. Dermed kan det forlenge anvendelsen av aktuatorer til tilfeller der høyere blokkering kraft er nødvendig, for eksempel Exoskeleton suiter.

Som et skritt fremover i produksjon av myke pneumatiske aktuatorer, den foreslåtte metoden illustrerer rask fabrikasjon av ultratynne (~ 70 μm) pneumatiske aktuatorer laget av termoplastisk polyuretan (TPU)1. Disse aktuatorer er spesielt nyttige i programmer som krever at robotene skal være lette og/eller passe i små områder. Slike programmer kan seg å være kateter kirurgisk manipulators, bærbare aktuatorer, søk og redning roboter, og flygende eller svømming roboter.
Den konvensjonelle Produksjonsmetoden av tynne myke pneumatiske aktuatorer, som er basert på silikon molding, er tidkrevende (flere timer) og svært utfordrende på grunn av den lave oppløsningen av 3D trykte muggsopp og vanskeligheter i demolding av tynne (mindre enn 0,5 mm) aktuatorer. Spesielt, fabrikasjon av tynne aktuatorer krever anvendelse av spesialiserte verktøy og metoder2.
Microfabrication teknikker kan vedtas for å dikte tynne aktuatorer3,4,5,6,7. Alternativt har Ikeuchi et al. utviklet tynne pneumatiske aktuatorer ved hjelp av membran mikro-preging8. Disse metodene, men effektive, krever dyre verktøy og er tidkrevende. Dermed har de begrensede applikasjoner.
Paek et al. demonstrert en enkel metode for fremstilling av småskala myke aktuatorer ved hjelp av DIP-belegg av sylindriske maler2. Selv om effektiv, er det to problemer med utbredt anvendelse av denne metoden: for det første er det ikke lett å kontrollere tykkelsen på DIP-belagt funksjoner, og for det andre, er dens anvendelse begrenset til et begrenset antall tredimensjonale (3D) design.
Peano aktuatorer9,10 og veske motorer11,12 har kompakte todimensjonale (2D) design som resulterer i tynne formfaktorer (dvs. store områder med liten tykkelse). Veale et al. rapportert utvikling av lineære Peano aktuatorer laget av armert plast og tekstil-silikon kompositter1,8. Niiyama et al. utviklet posen motorer bruker termoplastisk filmer produsert av varme stempling og varme tegning systemer11,12.
Mens 2D design av Peano aktuatorer og posen motorer gjør dem svært tynne i sin unactuated tilstand, ved inflasjon deres null-volum kammer utvides til et relativt stort volum, og dermed begrense deres anvendelse for drift i begrensede områder som kateter terapier eller søk og redning oppdrag1. I motsetning til disse design, de foreslåtte myke aktuatorer i den aktuelle metoden kan betjene med relativt små stammer. Således, selv i de aktiverte tilstand de opptar relativt små mellomrom1.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:840px;" width="840">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:361px;">Force Sensor</td>
			<td style="width:151px;">Omega</td>
			<td style="width:161px;">KHLVA-102</td>
			<td style="width:167px;">https://www.omega.co.uk/pptst/KHRA-KHLVA-KHA-SERIES.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">High Precision Dispensers Ultimus I</td>
			<td style="width:151px;">Nordson</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>http://www.nordsonefd.com/searchengines/google/en/AirPoweredDispensers/?gclid=CjwKCAjw36DpBRAYEiwAmVVDMPuZ50xXoyzK3gvnghCA7yZUfJg4o9V28yDHKjY5Gs159RJIcMk_choCJIgQAvD_BwE</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Laser Cutter VLS2.30</td>
			<td>Universal Laser System</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>https://www.ulsinc.com/products/platforms/vls2-30</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">PowerPress Heat Press</td>
			<td style="width:151px;">Power Heat Press</td>
			<td style="width:161px;">OX-A1</td>
			<td>https://www.howtoheatpress.com/power-press-15x15-heat-press-review/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:361px;">PTFE Thread Sealant tape</td>
			<td style="width:151px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:161px;">4934A11</td>
			<td>https://www.mcmaster.com/ptfe-tape</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:361px;">Stainless Steel Dispensing Needle</td>
			<td style="width:151px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:161px;">75165A754</td>
			<td>https://www.mcmaster.com/75165a754</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Super Glue Loctite 409</td>
			<td style="width:151px;">Henkel</td>
			<td>229654</td>
			<td>https://www.henkel-adhesives.com/us/en/product/instant-adhesives/loctite_409.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Thermoplastic polyurethane Airtech&#8217;s Stretchlon 200</td>
			<td>ACP Composites</td>
			<td style="width:161px;">v-11A</td>
			<td>https://store.acpsales.com/products/3321/stretchlon-200-high-stretch-bag-film-60</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Universal Testing Systems</td>
			<td style="width:151px;">Instron</td>
			<td style="width:161px;">5943</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

rapid manufacturing of thin soft pneumatic actuators and robots

Denne protokollen beskriver en metode for rask produksjon av myke pneumatiske aktuatorer og roboter med en ultratynne formfaktor ved hjelp av en varmepresse og en laser kutter maskin. Metoden starter med laminering av termoplastisk polyuretan (TPU) ark ved hjelp av en varme trykk i 10 min ved temperaturen på ~ 93 ° c. Deretter er parametrene av laser kutter maskinen optimalisert for å produsere en rektangulær ballong med maksimal burst press. Ved hjelp av de optimaliserte parametrene, er de myke aktuatorer laserskåret/sveiset tre ganger sekvensielt. Deretter er en doserings nål festet til aktuatoren, slik at den kan blåses opp. Effekten av geometriske parametre på utslag av aktuatoren er studert systematisk ved å variere kanalen bredde og lengde. Til slutt er ytelsen til aktuatoren karakterisert ved hjelp av et optisk kamera og en væske dispenser. Konvensjonelle fabrikasjon metoder for myke pneumatiske aktuatorer basert på silikon molding er tidkrevende (flere timer). De kan også resultere i sterke, men store aktuatorer, som begrenser aktuatoren sine applikasjoner. Videre er microfabrication av tynne pneumatiske aktuatorer både tidkrevende og kostbart. Den foreslåtte Produksjonsmetoden i det gjeldende arbeidet løser disse problemene ved å innføre en rask, enkel og kostnadseffektiv produksjonsmetode for ultratynne pneumatiske aktuatorer.

For å demonstrere den foreslåtte metoden, viser vi fabrikasjon av en enkelt bøying aktuator. Å dikte opp denne aktuatoren, fire ark med TPU av dimensjon 25 cm x 25 cm ble kuttet, stablet sammen, og deretter glattet ved hjelp av en varme trykk (figur 1a). Etter protokollen ble varme pressen påført i 10 minutter ved en innstilt temperatur på 200 ° f. Rynker i laminert ark kan føre til problemer med liming under laserskjæring trinn, derfor sikre en helt glatt overflate er avgjørende for reproduserbar resultater. For eksempel viser figur 1B en resulterende laminering som inneholder rynker som ikke vil gi ønskede resultater, mens figur 1C viser en resulterende laminering som er tilstrekkelig flat til å produsere de ønskede resultatene.
2D-designen til den pneumatiske aktuatoren ble trukket i AutoCAD. Dette aktuator ble gjort bare ved å tegne et rektangel på 8 mm x 150 mm. En lineær mønster av åtte linjer, hver 1,34 mm lang, ble tilsatt til midten av designen med en avstand på 10 mm (uthevet i rødt i figur 2). Til slutt, åpningen av aktuatoren (uthevet i blått i figur 2) ble utformet ved å legge til et åpent rektangel på 4 mm x 8 mm. En AutoCAD-fil (. DWG) for denne prøven lineær aktuator er tilgjengelig i Tilleggsmaterialet.
Den laminert firelags stabel med TPU ble deretter plassert i laserskjæring (figur 3a) og 2D-designen ble importert ved hjelp av programvaren til laserskjæring. Fokus verktøyet på laser kutter bekreftet tilpasning av 2D tegningen posisjon på laminert TPU ark. Ved første kjøring ble laserskåret til hastighet = 60%, strøm = 80% og PPI = 500. Når den var ferdig, uten å endre plasseringen av polyuretan ark, en andre kjøre med nye innstillinger ble startet ved hastighet = 55%, strøm = 85%, og PPI = 500. Den samme prosessen ble gjentatt med nye innstillinger for en tredje gang i hastighet = 50%, strøm = 90% og PPI = 500. Redusere hastigheten og øke kraften eksponerer pneumatisk aktuator til varme kilden for en lengre tid, og lar den smelte og bånd for å sikre en lekkasjefri ballong som kan skilles fra resten av TPU ark lett (figur 3b). Det bør bemerkes at laseren kutter er alltid samtidig skjæring og sveising av TPU; skjæring og sveising er ikke gjort i separate trinn eller oppnås ved forskjellige innstillinger.
For å par aktuatoren til en luft forsynings enhet, ble åpningen av aktuatoren skåret med saks og en nål i rustfritt stål (figur 4b) ble satt inn mellom andre og tredje lag av laserskåret aktuator. For å opprettholde et lekkasje fritt system, var utsiden av nålen dekket i limet på forhånd (figur 4c). Da grensesnittet av aktuator og rustfritt stål nålen ble pakket tett med PTFE tape (figur 4d).
Til slutt, ved hjelp av en digital væske dispenser, den pneumatiske aktuator (figur 5a) ble oppblåst til et trykk på 5 PSI for å observere et utslag i regionen der rekke linjer ble utformet (figur 5B).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig1.jpg"> Figur 1: varme trykkplater. (A) bilde av varmen trykk med TPU ark å bli laminert. (B) eksempel bilde av dårlig laminert ark med overdreven rynker. (C) eksempel bilde av vellykket laminert ark med en glatt overflate. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig1large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig2.jpg"> Figur 2: aktuator design. Bilde av en CAD-tegning som brukes til å danne en enkelt bøye aktuator. Den nederste designen viser omrisset av aktuatoren, den midterste designen viser en enkelt linje lagt til som en bøying funksjon, og den øverste designen viser en komplett aktuator. Den røde boksen fremhever funksjonene som danner bøye regionen på aktuatoren. Den blå boksen fremhever området for tilkobling av en nål for trykksetting. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig2large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig3.jpg"> Figur 3: Laser kutter. (A) bilde av den laminerte ark i en laser kutter. (B,C) Bilde av aktuatoren som skal fjernes etter laserskjæring. (C) bilde av aktuatoren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig3large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig4.jpg"> Figur 4: nål tilkobling. Bilder som viser fremgangsmåten for å koble en butt nål (a) til en ballong aktuator ved hjelp av lim (B) som et klebemiddel. Nålen er satt inn i den smale enden av aktuatoren, som er åpnet ved hjelp av saks (C) og forseglet med PTFE tape (D). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig4large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60595/60595fig5.jpg"> Figur 5: bøye aktuator. (A) bilde av aktuatoren i en unpressurized tilstand. (B) bilde av aktuatoren i en trykksatt tilstand. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/60595fig5large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Tilleggsmateriale.   <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60595/JOVE_PAPER.dwg" target="_blank">Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots at JoVE.com

Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots

Denne protokollen beskriver en metode for rask produksjon av myke pneumatiske aktuatorer og roboter med en tynn formfaktor. Den fabrikasjon metoden starter med laminering av termoplastisk polyuretan (TPU) ark etterfulgt av laserskjæring/sveising av en todimensjonal mønster for å danne aktuatorer og roboter.

Rask fremstilling av tynne, myke pneumatiske aktuatorer og roboter

This protocol describes a method for rapid manufacturing of soft pneumatic actuators and robots with an ultrathin form factor using a heat press and a ...

Denne raske metoden bruker en laserkutter og termoplastisk polyuretan til å fremstille tynne myke aktuatorer med vilkårlig geometri og størrelser. Den største fordelen med teknikken er at den tillater rask design og fabrikasjon av flere tynne myke aktuatorer og robotprototyper parallelt. For å kalibrere en kraftsensor som skal brukes i varmepressen, plasser først et glasssklie på kraftsensoren og legg en vekt på den.Skriv ned kraften og motstanden til sensoren og bruk en digital kaliper til å måle sensorområdet. Kalibrer deretter sensoren ved å dele kraftverdiene etter det målte området for å oppnå trykkdataene og bruke et regneark til å tilpasse en lineær linje til trykk versus motstandsdata. Deretter smører du kraftsensoren mellom to lag på 50 og 50 og 3 millimeter silikon, plasserer lagene inne i varmepressen, og vrir trykkknappen til et trykk på ca. 200 kilopascals leses fra sensoren.For å varme trykk på TPU-filmene, ta på hansker og kutt fire 30 med 30 millimeter lag av materialet. Plasser de fire arkene slik at alle fire kantene er justert og plasser arkene inne i varmepressen. Sett temperaturen på varmepressen til ca 93 grader Celsius og lukk varmepressen helt.Hold filmene inne i pressen i 10 minutter før du åpner pressen og fjerner de laminerte TPU-filmene. For å bestemme de optimale laserparametrene, bruk et dataassistert designprogram til å designe en firkant med 20 millimeter sider og et fire og åtte millimeter rektangel som vil fungere som innløpet av den firkantede ballongen. For å laserskjørne og sveise det firkantede mønsteret ut av TPU-lagene, i laserkutterprogramvaren, sett hastigheten og kraften til 10%, og pulsene per tomme til 500 for hver verdi av kraft.Klipp enden av innløpet av den firkantede ballongen med saks og sett inn en nål inne i den firkantede ballonginntaket. Påfør lim rundt innløpet og vikle innløpet og nålen med PTFE tape. Etter å ha tillatt limet å tørke i fem minutter, blåse ballongen med en presis væske dispenser til den brister for å identifisere gjennomsnittlig burst trykk av den firkantede ballongen.For å fremstille aktuatoren, design ønsket aktuatormønster ved hjelp av dataassistert programvare og uthev alle segmentene av designen. I oppgavelinjen under egenskapsdelen endrer du linjevekten for den valgte utformingen til null millimeter i programvaren, og velger å endre skrivernavnet til VLS2.30 i menyen. I skriverinnstillingene velger du papirstørrelsen som brukerdefinert liggende.Og i plottskaladelen fjerner du merket for alternativet til tilpass til papir og skalerer bildestørrelsen til én millimeter for én lengdeenhet. I tomten offset opprinnelse satt til utskrivbart område, sjekk midten av tomten alternativet og trykk på strømknappen for å slå på luftfilteret. Slå på laserkutteren og i laserkutterprogramvaren setter du strømmen til 80 % hastigheten til 60 %, og pulsene per tomme til 500.Bruk deretter fokusvisningsverktøyet til å flytte laserpekeren til venstre øvre hjørne og nederste høyre hjørne av mønsteret for å sikre at hele mønsteret passer inn i de forberedte laminerte TPU-filmene. Hvis du vil fokusere lasermaskinen, flytter du linsevognen til midten av bordet og plasserer fokusverktøyet på bordet. Flytt bordet opp til toppen av fokusverktøyet berører forsiden av linsevognen og beveger bordet sakte opp til linsevognen treffer hakket på fokusverktøyet og støter verktøyet fremover.Uten å endre plasseringen av TPU-arket, reduser laserkutterhastigheten til 55% øke kraften til 85%og holde pulser per tomme til 500 og kjøre laseren igjen. Sett deretter hastigheten til 50% øke kraften til 90%og holde pulser per tomme på 500 for en tredje kjøring av laseren for å sikre at det ikke er lekkasjer i aktuatoren. For å binde en dispenseringsnål i rustfritt stål med en Luer-låsetilkobling, kutt enden av ballongaktuatoren med innløpssaks og sett inn en nål inne i ballongaktuatorinntaket.Påfør lim rundt nålen og aktuatoren og pakk PTFE-tape rundt tilkoblingen. Når limet har tørket, monterer du et kamera over aktuatoren i tilstrekkelig avstand slik at aktuatoren er i full visning av kameraet i både trykksatt og utrykksatt tilstander og holder aktuatoren i en retning slik at avbøyningen ved trykksetting er ortogonal til kameraet. Øk trykket på aktuatoren med en nøyaktig væskedispenser til den bøyer seg inn i hele spekteret uten å sprekke.Øk deretter aktuatortrykket til det når ca. 20 % av hele spekteret og noterer trykket. Til slutt tar du et bilde av aktuatoren og bruker et bildebehandlingsprogram til å måle X- og Y-koordinatene til spissen av aktuatoren i bildet. Etter å ha gjentatt trykksettingen og koordinatmålingen til et fullstendig spekter av aktuatordeflering er nådd, plotter du en XY-graf over aktuatorens nedbøyning kontra inflasjonstrykket.Rynker i laminert ark kan resultere i problemer med binding under laser kutte trinn. Derfor er det avgjørende å sikre en helt jevn overflate for reproduserbare resultater. Her vises en 2D-design av den pneumatiske aktuatoren som tegnet ved hjelp av et dataassistert designprogram.Ved hjelp av laserskjæring kan den laminerte firelags stakken med TPU kuttes og sveises for å passe til 2D-pneumatisk aktuatordesign som vist. For å pare aktuatoren til en lufttilførselsenhet, kan en kanyle i rustfritt stål settes inn i aktuatoren, og grensesnittet til aktuatoren og kanylen i rustfritt stål pakkes tett med PTFE-tape for å forhindre lekkasje. Til slutt, ved hjelp av en digital væskedispenser, kan den pneumatiske aktuatoren blåses opp til et trykk på fem pounds per kvadrattomme for å tillate observasjon av en nedbøyning i regionen der rekken av linjer ble designet.Gitt disse som utformingen kan itereres, har denne teknikken potensial til å utvide bruken av tynne myke aktuatorer for mange fagfelt.

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis and Characterization of High c-axis ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System and its UV Photodetector Application

Syntese og karakterisering av høy c-aksen ZnO Thin Film etter Plasma Enhanced Chemical Vapor Nedfall System og dens UV Fotodetektor Application

In this study, zinc oxide (ZnO) thin films with high c-axis (0002) preferential orientation have been successfully and effectively synthesized onto ...

Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

Fabrikasjon Process av silikon-baserte Transformator Elastomer Aktuatorer

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an ...

SSVEP-based Experimental Procedure for Brain-Robot Interaction with Humanoid Robots

SSVEP basert Eksperimentell Prosedyre for Brain-Robot Interaksjon med menneskelignende roboter

Brain-Robot Interaction (BRI), which provides an innovative communication pathway between human and a robotic device via brain signals, is prospective in ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Free-form Light Actuators ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Â Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Frihånds Lys Aktuatorer - Fabrikasjon og kontroll av aktivering i Mikroskopisk Scale

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Additive Manufacturing of Functionally Graded Ceramic Materials by Stereolithography

Additive industrien funksjonelt gradert keramiske materialer av stereolitografi

An additive manufacturing technology is applied to obtain functionally graded ceramic parts. This technology, based on digital light ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

Fabrikasjon av myke pneumatiske nettverk aktuatorer med skrå Chambers

Soft pneumatic network actuators have become one of the most promising actuation devices in soft robotics which benefits from their large bending ...

Structural Design and Manufacturing of a Cruiser Class Solar Vehicle

Strukturelle Design og produksjon av en Cruiser klasse Solar kjøretøy

Cruisers are multi-occupant solar vehicles that are conceived to compete in long-range (over 3,000 km) solar races based on the best compromise between ...

Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in Cu(In,Ga)Se2 Thin-film Solar Cells

Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in CuIn,GaSe2 Thin-film Solar Cells

Fabrikasjon av robust nanoskala kontakt mellom en Silver Nanowire elektrode og CD buffer lag i Cu (in, ga) se2 Thin-Film solceller

Silver nanowire transparent electrodes have been employed as window layers for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Bare silver nanowire electrodes ...

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Fabrikasjon av karbonbaserte ioniske elektromekanisk aktive myke aktuatorer

Ionic electromechanically active capacitive laminates are a type of smart material that move in response to electrical stimulation. Due to the soft, ...

Manufacturing, Control, and Performance Evaluation of a Gecko-Inspired Soft Robot

Evaluering av en gekko-inspirert myk robot for produksjon, kontroll og ytelse

This protocol presents a method for manufacturing, control, and evaluation of the performance of a soft robot that can climb inclined flat surfaces with ...