Name: fabrication of carbon-based ionic electromechanically active soft actuators
Uploaded: 2020-04-25T13:00:00
Duration: 14 min 42 s
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作者感谢飞利浦研究公司的罗恩·霍文坎普和马塞尔·穆德的有益讨论。这项工作得到了爱沙尼亚教育和研究部机构研究经费IUT（IUT 20-24）的部分支持， 由爱沙尼亚研究理事会赠款（PUT1696），由欧洲区域发展基金，由方案Mobilitas Pluss（赠款No MOBTP47），由欧洲联盟的地平线2020研究和创新方案根据玛丽·斯沃沃斯卡-居里赠款协议第793377（BIOACT）和项目IMPACT-MII，EIT 健康创新项目。EIT 健康得到欧盟一个机构 EIT 的支持。

注意：本协议中使用的许多化学品和部件都很危险，请在开始实验前查阅相关安全数据表 （SDS） 以了解更多信息。在实验过程中处理挥发性溶剂时（例如，在制备溶液、制造强化膜、喷涂电极并连接电流收集器）时，请使用烟罩和个人防护设备（手套、眼镜、实验室涂层）。通过始终戴手套，防止皮肤与最终复合材料直接接触（除非它被封装28）。
1. 制造分离膜
<ol><li>取一个框架，如刺绣框架。 注：我们使用的标准框架尺寸从 7.5 厘米到 25 厘米，具体取决于所需的批次大小。最重要的是，框架应该由能够承受配方中使用的溶剂和其他材料的材料制成。例如，此协议使用聚丙烯刺绣框架。但是，如果不确定，建议在框架上进行溶剂测试。</li>
	<li>在选项A到C之间进行选择（上文讨论，如图 2所示），以查找计划应用最合适的膜配置。准备功能执行材料时，只需三个膜中的一个。</li>
	<li>选项 A：在制备导电分离器时使用高多孔商业过滤膜<ol>
<li>取高孔隙度过滤膜（如厚 30 μm、80% 孔隙度 PTFE 膜滤膜）。如果标准滤镜对于框架来说太大，则使用剪刀将其切成形状。在转移板之间切割膜以避免污染。</li>
		<li>紧固和紧固框架上的干过滤膜。 注：某些过滤膜在干燥状态下可能相当脆弱。非常小心地固定干膜，以避免撕裂。</li>
		<li>移动到步骤 2 以继续进行机电主动复合制备。</li>
	</ol></li>
	<li>选项 B：在电介质分离器制备中使用电解质浸渍商业过滤膜<ol>
<li>取高孔隙度过滤膜（如厚 30 μm、80% 孔隙度 PTFE 膜滤膜）。如果标准滤镜对于框架来说太大，则使用剪刀将其切成形状。在转移板之间切割膜以避免污染。</li>
		<li>使用分析平衡记录干膜质量，以便稍后计算电解质的加入。此步骤仅用于批处理到批次的可重复性监视，否则可以跳过此步骤。</li>
		<li>将干膜放入培养皿中，并使用移液器添加过量的离子液体（例如，1-乙基-3-甲基硅胺硫化盐酸（[EMIM][OTf]）。 注意：使用手套防止与皮肤接触。</li>
		<li>稍微倾斜 Petri 盘，以确保整个膜被离子液体覆盖，或使用移液器将离子液体转移到膜仍然干燥的区域。</li>
		<li>让膜浸泡在离子液体中，实现最大的电解质吸收。</li>
		<li>一旦膜被充分浸泡（在视频中约1分钟后），移液从大部分多余的离子液体。</li>
		<li>使用钳子，小心地将膜放在滤纸之间，以去除膜未吸收的离子液体的其余部分。最终膜应半透明，但不湿。</li>
		<li>使用分析平衡记录步骤 1.4.7 中浸泡和干燥膜的质量。此步骤仅用于批处理到批次重复性监视，否则可以跳过此步骤。 注：对于高多孔PTFE膜和相对低粘度离子液体（例如，[EMIM][OTf]），几乎立即达到最大离子液体的摄入。使用不同的离子液体和不同的（低孔）商业聚合物膜可能会导致更长的浸泡时间。可以通过重复步骤 1.4.1 到 1.4.8 来确定这种需求。直到获得恒定的膜质量。但是，如果电解质太粘稠或膜不够多孔，则执行器的性能可能也不是很高。</li>
		<li>紧固和紧紧框架上浸泡和干燥的膜，避免皱纹和褶皱。</li>
	</ol></li>
	<li>选项 C：制造离子导电的纺织品增强膜，在规划使用定制聚合物（即非商用（过滤）膜的聚合物）、定制膜厚度、粘度较高的离子液体或将工具集成到执行器中时可能很有用。在这里，我们展示了纺织增强膜制造的基本程序，例如，可以修改为包括工具或管材（参见参考24有关详细信息）。<ol><li>在 100 mL Erlenmeyer 烧瓶中，将 2 克聚丙烯氟化物 （PVDF）、2 克离子液体（例如[EMIM][OTf]）、4 mL 丙烯碳酸盐 （PC） 和 18 mL 的 N、N-二甲基甲酰胺 （DMAc）混合在一起。 注意：DmAc 和 PC 是有毒和健康危害，可能会刺激皮肤和眼睛。小心处理，使用烟雾罩和个人防护设备。</li>
		<li>加入磁性搅拌棒，用塞块关闭烧瓶。</li>
		<li>用聚乙烯实验室拉伸膜密封烧瓶，以防止溶剂蒸发。 注：使用可承受70°C搅拌的拉伸膜（例如，帕拉膜的熔点仅为60°C，因此准膜不适合此应用）。</li>
		<li>使用磁性搅拌器和温度控制的热板在 70°C 下搅拌溶液过夜。将搅拌速度设置为中等。搅拌速度过高可能会引入过多的空气到溶液中，而搅拌速度过慢可能会导致制备时间显著延长。 注：实验可以在这里暂停，稍后进行。制备的解决方案可以长时间储存在密封容器中。重新加热并混合存储的溶液，然后再开始使用（在 70°C 下混合 1 小时通常就足够了）。</li>
		<li>用剪刀剪掉一块织物（如丝绸或玻璃纤维布）。 注：具有惰性纤维成分（如丝绸或玻璃纤维）的纺织品工作最佳，因为膜溶液中的溶剂不会溶解这些。但是，建议在使用任何织物之前进行溶剂测试。轻质织物是首选，因为这些织物对最终复合材料的驱动影响最小。在视频中，我们使用编织的丝绸织物（11.5克/米2）。</li>
		<li>紧固和紧紧框架上的织物。</li>
		<li>使用剪刀修剪任何多余的织物，并小心地用手去除任何松散的纤维。</li>
		<li>在烟罩下工作时，使用画笔用薄层膜溶液盖住织物。</li>
		<li>让层完全干燥。首次和以后，只有低速的热气枪以及专用设置（详情请参阅图5）可用于加快溶剂蒸发过程。 注： 在相对潮湿的膜上使用过高的自旋速率，可能会导致膜层变形，并可能导致膜材料的丢失。</li>
		<li>层干燥后，检查复合物对背光有无针孔。显微镜也可用于此目的。</li>
		<li>如果膜上有针孔，则通过重复步骤 1.5.8 来涂抹另一层涂层。和1.5.9。</li>
		<li>应用膜溶液时，在纺织两侧交替，以确保钢筋（即中性平面）保持在膜中间（参见图 3D中的 SEM 图像，该图像显示了位于膜层中间的纺织纤维）。 注：聚合物溶液中的溶剂会缓慢地溶解先前应用的层。因此，要格外小心地添加后续膜层，以防止损坏已经应用的膜。尽可能薄的层，不要翻过已经潮湿的表面两次。</li>
		<li>获得无缺陷膜后，使用微米螺杆计检查其最终厚度。通常，至少需要应用三层，从而产生约 50 μm 厚的膜。</li>
		<li>让成品膜在烟罩下干燥至少24小时。 注：实验可以暂停在这里，并在以后进行喷洒电极。但是，建议在干燥过程中保护准备好的膜免受灰尘颗粒的影响。</li>
	</ol></li>
</ol>2. 制造电极
注：电极悬架由电极溶液A（聚合物溶液）和电极悬浮液B（含有碳粉和电解质）组成，分别制备，然后混合在一起以获得最终悬浮液。为电极悬架选择的溶剂不会溶解纺织增强膜配置中使用的惰性膜增强剂或 PVDF。因此，在添加电极期间损坏已经获得的膜的风险保持在最低限度。
<ol><li>制备电极溶液 A<ol>
<li>在 100 mL Erlenmeyer 烧瓶中，将 2 克聚（氟化物-共六氟丙烯）和 24 mL 的 4-甲基-2-五角酮 （MP） 混合在一起。 注意：MP 是易燃和剧毒。使用烟雾罩和个人防护设备。</li>
		<li>加入磁性搅拌棒，用塞块关闭烧瓶。</li>
		<li>用聚乙烯实验室拉伸膜密封烧瓶。</li>
		<li>使用磁性搅拌器和温度控制的热板以中等速度以70°C搅拌溶液，直到聚合物完全溶解，通常一夜之间溶解。 注： 协议可以在这里暂停。制备的解决方案可以长时间存放在封闭和密封的容器中。如果溶液已变成凝胶，则重新加热（至 70°C），并在步骤 2.3 中使用之前混合。没有必要添加更多的溶剂。通常，此配方中的产量为约 150 cm2的活性材料（最终复合厚度约 150 μm）。这相当于两个直径10厘米的刺绣框架批次。</li>
	</ol></li>
	<li>准备电极悬架 B<ol>
<li>在另一个100 mL Erlenmeyer烧瓶中，将1.75克碳（例如，铁质或B4C前体的碳）、2克离子液体（例如[EMIM][OTf]）和10 mLMP混合在一起。 注意：不良的静电充电效应会使碳粉的称重非常困难。称重时穿静态耗散鞋，以减少静电的积累。此外，使用个人防护设备防止吸入细碳颗粒。</li>
		<li>使用磁性搅拌器在室温下将悬浮液混合在封闭容器中至少 1 小时。或者，超声波探头已经可用于此步骤（参见步骤 2.3.4） 注：实验可以在这里暂停，悬架B可以储存或混合在封闭和密封的容器中很长一段时间，然后再混合它与溶液A，以获得最终的电极悬浮液。</li>
	</ol></li>
	<li>准备最终电极悬架<ol>
<li>确保溶液 A 中的聚合物通过稍微倾斜烧瓶来检测任何未溶解的聚合物颗粒（或碎块），并确保溶液以粘稠但液体的形式完全溶解。如果没有，则在 70°C 下搅拌，然后继续下一步。</li>
		<li>将电极溶液 A（聚合物溶液）倒入含有电极悬浮液 B（碳、离子液体、溶剂）的烧瓶中。</li>
		<li>使用额外的 10 mL MP 冲洗从烧瓶 A 壁上剩余的材料，并将其倒入烧瓶 B 中的最终悬浮液。</li>
		<li>将超声波探头浸入最终悬浮液中，将循环设定为 0.5（脉冲），并将烟气罩下的悬架均匀化一小时。避免探头与玻璃容器壁接触。或者，如果没有超声波探头，可以使用磁性搅拌器混合几个小时到密封容器过夜。 注：实验可以在这里暂停，最终的电极悬浮液可以储存或混合在封闭和密封的容器中很长一段时间。</li>
	</ol></li>
	<li>喷涂电极 注：此处使用岩手喷枪 HP TR-2 准备电极。然而，其他类型的喷枪和工业自动喷雾系统也可以使用。<ol>
<li>用厚重纸张和胶带盖住烟罩的墙壁，以便事后更容易清洁。请勿覆盖空气摄入区域。喷涂过程中，将烟气罩盖保持在尽可能低。</li>
		<li>将喷枪连接到压缩空气供应并调节压力（此处使用标准连接和 2 根条杆的压力）。 注：压力应足以承载悬架，但不要太高以损坏膜。</li>
		<li>用丙酮（或任何其他兼容溶剂）填充喷枪的储液罐，并首先在一张纸或纸板上测试喷涂，以检查喷枪是否清洁且无堵塞。</li>
		<li>通过倾斜烧瓶，检查步骤 2.3 中准备的电极悬架是否为液体形式。在某些情况下，如果长期储存，它可能会变成凝胶。使用温度控制的热板将其重新加热至 70°C，同时使用温度控制的加热板将其重新加热到 70°C。没有必要添加更多的溶剂。</li>
		<li>将 Erlenmeyer 烧瓶中的电极悬浮液倒入喷枪的清洁储液罐中。</li>
		<li>首先在一张纸上测试悬架流量。然后继续覆盖准备好的膜。</li>
		<li>开始喷枪前开始移动喷枪。在大约 20 厘米的距离喷洒，并将喷枪垂直于膜。保持喷枪以直线和控制的冲程移动，以覆盖整个膜。</li>
		<li>注意覆盖膜一侧的转弯次数，或者监测添加到储液罐中的悬浮体积，以确保膜两侧的电极厚度相等。</li>
		<li>让膜一侧的电极在烟罩下干燥。如果需要，可以使用热气枪加快干燥过程（参见步骤 1.5.9）。</li>
		<li>通过重复步骤 2.4.7 到 2.4.9，将第二个电极应用在膜的另一侧。</li>
		<li>多次覆盖膜两侧，直到达到所需的复合厚度（此处的最终总厚度约为 150 μm）。使用微米螺杆计监控干复合材料的厚度。 注：实验可以在这里暂停。干复合材料可以长时间储存在拉链锁袋中，然后再在步骤 3 中附加金电流收集器。</li>
	</ol></li>
</ol>3. 附加黄金电流收集器
<ol><li>准备胶水溶液 注：此解决方案可提前与电极悬架（和膜溶液）一起制备。在使用胶水之前，请确保重新加热胶水，使其粘稠度降低。<ol>
<li>在 100 mL Erlenmeyer 烧瓶中，将 2 克 PVDF-HFP、2 克离子液体（例如[EMIM][OTf]）、4 mL PC 和 40 mL MP 混合在一起。</li>
		<li>加入磁性搅拌器，关闭烧瓶，用聚乙烯实验室拉伸膜密封。</li>
		<li>让溶液在温度控制的热板上以70°C搅拌，直到聚合物溶解，通常是一夜之间。</li>
	</ol>
</li>
	<li>将电流收集器连接到碳复合材料（一侧）<ol>
<li>从框架中轻轻拆下步骤 2 中准备的执行器材料。</li>
		<li>使用尺子和手术刀切出 4 厘米 x 3 厘米的片件。如果使用纺织增强膜，则将切口与纤维对齐（从复合材料边缘可见）。 注：建议的切割尺寸对于小到中型批次最方便。但是，获得工作执行器并不重要。</li>
		<li>取一根金属管（此处为 d = 3 厘米），并用胶带将切割件紧紧固定在管道上。尝试仅将约 1 mm 的执行器材料与胶带重叠，以避免浪费活性材料。 注：管道或其涂层的材料应承受胶水溶液中使用的溶剂。确切的组合物对于获得工作执行器并不重要。传导良好的材料（例如金属）可能有助于加速干燥过程。然而，陶瓷或聚合物管或管可能也适合。</li>
		<li>使用剪刀，在转移纸上切出4厘米x4厘米的金子片，并将其中一块放在纸巾上。 注： 将金叶放在较软的表面上，对于获得高质量的电流收集器至关重要。</li>
		<li>为喷枪准备一个"对接"站，可以快速安全地储存在直立位置。一旦停止喷涂，胶水就会开始干燥，因此，在应用金电流收集器时，没有延迟至关重要。</li>
		<li>在烟罩下工作时，将步骤 3.1.3 中的胶水溶液喷洒在已固定在管道上的执行器材料上（步骤 3.2.3）。</li>
		<li>当胶水仍然湿时，将管道卷过金箔（步骤 3.2.4）。轧制不需要过大的压力。</li>
		<li>取出转移纸，再次翻过纸巾，确保金已正确连接。</li>
		<li>将材料置于红外 （IR） 光下（距离 10 到 15 厘米）或真空烤箱（室温下最大真空）下干燥约 20 到 30 分钟。</li>
		<li>如果当前收集器未正确连接或存在一些较大的缺陷，则重复步骤 3.2.3 到 3.2.9 在第一层干燥后添加第二层以获取完全无缺陷的电流收集器。</li>
	</ol>
</li>
	<li>将当前收集器附加到复合的另一侧。<ol>
<li>轻轻取下胶带，将材料从管道中释放出来。</li>
		<li>用丙酮和纸巾清洁管道，去除任何胶水和金残留物。</li>
		<li>将执行器材料再次固定在管道上，并朝向管道的镀金侧。</li>
		<li>重复步骤 3.2.3 到 3.2.10，将电流收集器也连接到材料的另一侧。</li>
		<li>小心地将成品复合材料从管道中取出，使其在烟罩下干燥至少 24 小时。 注：保护材料免受灰尘颗粒的影响。干燥后，材料可以储存在拉链锁袋中。使样品在高温下在管道上干燥，而不是长时间（几个小时到几天）热成型执行器，因此，除非以热成型为目标，否则应避免使用。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 切割、整形、接触和描述执行器
<ol><li>切割执行器<ol>
<li>使用锋利的手术刀（和金属标尺）将执行器切成所需的形状。始终切割材料的所有侧面，以避免因执行器侧面的过量黄金而导致的任何短路。 注： 不建议使用剪刀切割材料，因为这会使材料变形并导致样品侧面短路。</li>
	</ol>
</li>
	<li>将执行器塑造（例如，放入夹持器中） 注：这种聚合物复合材料的形状可以很容易地从平面层压板变为更高级的更高级，用于更有趣的应用。根据所需的配置，可能需要首先连接联系人。<ol>
<li>取切执行器并将其放入模具中（例如，如视频所示，放入小玻璃瓶中）。</li>
		<li>将样品放入烤箱至少 1 小时，加热至 60°C。</li>
	</ol>
</li>
	<li>使用执行器 注：在视频中，我们显示自定义磁性触点和用于接触的开尔文剪辑。在这两种情况下，24k 金板是唯一与执行器直接接触的材料。<ol>
<li>在电化学非反应触点（如金色）之间夹紧执行器。 注：接触压力应足以获得可靠的电气接触，但不要太高，从而导致永久变形。</li>
		<li>应用步进电压（或电流）或使用更复杂的控制信号来控制执行器。通常，步骤电压为 ±2 V 或更少用于驱动此类执行器。有关执行器控制注意事项的详细信息，请参阅参考文献24。</li>
		<li>同时使用激光位移计或摄像机录制激活。</li>
	</ol>
</li>
	<li>用于 SEM 成像的冷冻压裂（基于 PTFE 的执行器） 注：在液氮中冷冻样品后，将样品分解是SEM成像过程中获得清洁横截面的首选方法。 注意：切勿紧紧关闭液氮容器的盖子。压力积聚及其后续释放可能导致严重伤害。此外，液氮在+196 °C下沸腾，因此也必须小心防止低温造成的伤害。<ol>
<li>将液氮倒入热绝缘容器（例如一次性泡沫杯）</li>
		<li>首先，将样品和后来的金属工具放入液氮中，让样品冷冻约1分钟。 注：建议冷却金属工具（例如手术刀或钳子），以防止因温度差异而导致的任何可能的分层。然而，由于金属的导热性更高，刀具需要的冷却时间比聚合物复合材料短。此外，太深冷却的金属工具可能无法处理。</li>
		<li>用两套冷却的钳子抓住冷冻样品，然后将其折断。</li>
	</ol>
</li>
	<li>用于 SEM 成像（纺织品增强执行器）的冷冻压裂。 注：纺织品增强执行器（特别是使用玻璃纤维）在冻结状态下可能无法收支平衡。使用冷却刀片进行切割，即可获得清洁横截面。<ol>
<li>将执行器和手术刀冻结在液氮中（参见步骤 4.4.2 中的注释）。</li>
		<li>将冷冻样品放在不粘切割表面上（例如 PTFE 块），并使用冷却的手术刀切碎执行器材料。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Must, I., 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=Ionic+and+Capacitive+Artificial+Muscle+for+Biomimetic+Soft+Robotics.">Ionic and Capacitive Artificial Muscle for Biomimetic Soft Robotics.</a> Advanced Engineering Materials. 17 (1), 84-94 (2015).</li><li>McGovern, S., Alici, G., Truong, V. T., Spinks, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finding+NEMO+(novel+electromaterial+muscle+oscillator):+A+polypyrrole+powered+robotic+fish+with+real-time+wireless+speed+and+directional+control.">Finding NEMO (novel electromaterial muscle oscillator): A polypyrrole powered robotic fish with real-time wireless speed and directional control.</a> Smart Materials and Structures. 18 (9), (2009).</li><li>Hines, L., Petersen, K., Lum, G. Z., Sitti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+Actuators+for+Small-Scale+Robotics.">Soft Actuators for Small-Scale Robotics.</a> Advanced Materials. 29 (13), (2017).</li><li>Carpi, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electromechanically Active Polymers. , (2016).</li><li>Bar-Cohen, Y., 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=Electroactive+polymer+(EAP)+actuators-background+review.">Electroactive polymer (EAP) actuators-background review.</a> Mechanics of Soft Materials. 1 (1), 5 (2019).</li><li>Schmitt, F., Piccin, O., Barb&#233;, L., Bayle, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+robots+manufacturing:+A+review.">Soft robots manufacturing: A review.</a> Frontiers Robotics AI. 5, (2018).</li><li>Rosset, S., Araromi, O. a., Schlatter, S., Shea, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+Process+of+Silicone-based+Dielectric+Elastomer+Actuators.">Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators.</a> Journal of Visualized Experiments. (108), 1-13 (2016).</li><li>Fukushima, T., Asaka, K., Kosaka, A., Aida, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+Plastic+Actuator+through+Layer-by-Layer+Casting+with+Ionic-Liquid-Based+Bucky+Gel.">Fully Plastic Actuator through Layer-by-Layer Casting with Ionic-Liquid-Based Bucky Gel.</a> Angewandte Chemie International Edition. 44 (16), 2410-2413 (2005).</li><li>Takeuchi, I., 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=Electromechanical+behavior+of+fully+plastic+actuators+based+on+bucky+gel+containing+various+internal+ionic+liquids.">Electromechanical behavior of fully plastic actuators based on bucky gel containing various internal ionic liquids.</a> Electrochimica Acta. 54 (6), 1762-1768 (2009).</li><li>Mukai, K., 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=High+performance+fully+plastic+actuator+based+on+ionic-liquid-based+bucky+gel.">High performance fully plastic actuator based on ionic-liquid-based bucky gel.</a> Electrochimica Acta. 53 (17), 5555-5562 (2008).</li><li>Fedkiw, P. S., Her, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Impregnation-Reduction+Method+to+Prepare+Electrodes+on+Nafion+SPE.">An Impregnation-Reduction Method to Prepare Electrodes on Nafion SPE.</a> Journal of the Electrochemical Society. 136 (3), 899-900 (1989).</li><li>Akle, B. J., Bennett, M. D., Leo, D. J., Wiles, K. B., McGrath, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+assembly+process:+a+novel+fabrication+technique+for+large+strain+ionic+polymer+transducers.">Direct assembly process: a novel fabrication technique for large strain ionic polymer transducers.</a> Journal of Materials Science. 42 (16), 7031-7041 (2007).</li><li>Akle, B., Nawshin, S., Leo, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reliability+of+high+strain+ionomeric+polymer+transducers+fabricated+using+the+direct+assembly+process.">Reliability of high strain ionomeric polymer transducers fabricated using the direct assembly process.</a> Smart Materials and Structures. 16 (2), 1-6 (2007).</li><li>Otero, T. F., Angulo, E., Rodr&#237;guez, J., Santamar&#237;a, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemomechanical+properties+from+a+bilayer:+polypyrrole+/+non-conducting+and+flexible+material+-+artificial+muscle.">Electrochemomechanical properties from a bilayer: polypyrrole / non-conducting and flexible material - artificial muscle.</a> Journal of Electroanalytical Chemistry. 341 (1-2), 369-375 (1992).</li><li>Smela, E., Ingan&#228;s, O., Pei, Q., Lundstr&#246;m, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+muscles:+Micromachining+fingers+and+corkscrews.">Electrochemical muscles: Micromachining fingers and corkscrews.</a> Advanced Materials. 5 (9), 630-632 (1993).</li><li>Simaite, A., Mesnilgrente, F., Tondu, B., Sou&#232;res, P., Bergaud, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+inkjet+printable+conducting+polymer+artificial+muscles.">Towards inkjet printable conducting polymer artificial muscles.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 229, 425-433 (2016).</li><li>P&#245;ldsalu, I., M&#228;ndmaa, S. -. E., Peikolainen, A. -. L., Kesk&#252;la, A., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+ion-conducting+carbon-polymer+composite+electrodes+by+spin-coating.">Fabrication of ion-conducting carbon-polymer composite electrodes by spin-coating.</a> Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD). , 943019 (2015).</li><li>Kaasik, F., 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=Scalable+fabrication+of+ionic+and+capacitive+laminate+actuators+for+soft+robotics.">Scalable fabrication of ionic and capacitive laminate actuators for soft robotics.</a> Sensors and Actuators, B: Chemical. 246, 154-163 (2017).</li><li>Sugino, T., Shibata, Y., Kiyohara, K., Asaka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Actuation+mechanism+of+dry-type+polymer+actuators+composed+by+carbon+nanotubes+and+ionic+liquids.">Actuation mechanism of dry-type polymer actuators composed by carbon nanotubes and ionic liquids.</a> Sensors and Actuators, B: Chemical. 273, 955-965 (2018).</li><li>Conway, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transition+from+"Supercapacitor"+to+"Battery"+Behavior+in+Electrochemical+Energy+Storage.">Transition from "Supercapacitor" to "Battery" Behavior in Electrochemical Energy Storage.</a> Journal of The Electrochemical Society. 138 (6), 1539 (1991).</li><li>White, B. T., Long, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+Polymeric+Materials+for+Electromechanical+Devices.">Advances in Polymeric Materials for Electromechanical Devices.</a> Macromolecular Rapid Communications. 40 (1), 1-13 (2019).</li><li>Addinall, 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=Integration+of+CNT-based+actuators+for+bio-medical+applications+-+Example+printed+circuit+board+CNT+actuator+pipette.">Integration of CNT-based actuators for bio-medical applications - Example printed circuit board CNT actuator pipette.</a> IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM. , 1436-1441 (2014).</li><li>Zhang, J., Wu, J., Yu, J., Zhang, X., He, J., Zhang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+ionic+liquids+for+dissolving+cellulose+and+fabricating+cellulose-based+materials:+State+of+the+art+and+future+trends.">Application of ionic liquids for dissolving cellulose and fabricating cellulose-based materials: State of the art and future trends.</a> Materials Chemistry Frontiers. 1 (7), 1273-1290 (2017).</li><li>Must, I., Rinne, P., Krull, F., Kaasik, F., Johanson, U., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ionic+Actuators+as+Manipulators+for+Microscopy.">Ionic Actuators as Manipulators for Microscopy.</a> Frontiers in Robotics and AI. 6, (2019).</li><li>Torop, J., Palmre, V., Arulepp, M., Sugino, T., Asaka, K., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+supercapacitor-like+actuator+with+carbide-derived+carbon+electrodes.">Flexible supercapacitor-like actuator with carbide-derived carbon electrodes.</a> Carbon. 49 (9), 3113-3119 (2011).</li><li>Torop, J., Sugino, T., Asaka, K., J&#228;nes, A., Lust, E., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoporous+carbide-derived+carbon+based+actuators+modified+with+gold+foil:+Prospect+for+fast+response+and+low+voltage+applications.">Nanoporous carbide-derived carbon based actuators modified with gold foil: Prospect for fast response and low voltage applications.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 161 (1), 629-634 (2012).</li><li>Vella, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Buffering+by+buckling+as+a+route+for+elastic+deformation.">Buffering by buckling as a route for elastic deformation.</a> Nature Reviews Physics. 1 (7), 425-436 (2019).</li><li>Rinne, P., 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=Encapsulation+of+ionic+electromechanically+active+polymer+actuators.">Encapsulation of ionic electromechanically active polymer actuators.</a> Smart Materials and Structures. , (2019).</li><li>Nakshatharan, S. S., Punning, A., Johanson, U., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+electrical+terminals+made+of+copper+to+the+ionic+electroactive+polymer+actuators.">Effect of electrical terminals made of copper to the ionic electroactive polymer actuators.</a> Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 10163, 101632 (2017).</li><li>Punning, 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=Ionic+electroactive+polymer+artificial+muscles+in+space+applications.">Ionic electroactive polymer artificial muscles in space applications.</a> Scientific Reports. 4 (1), 6913 (2014).</li><li>Sugino, T., Kiyohara, K., Takeuchi, I., Mukai, K., Asaka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Actuator+properties+of+the+complexes+composed+by+carbon+nanotube+and+ionic+liquid:+The+effects+of+additives.">Actuator properties of the complexes composed by carbon nanotube and ionic liquid: The effects of additives.</a> Sensors and Actuators B: Chemical. 141 (1), 179-186 (2009).</li><li>Punning, A., Vunder, V., Must, I., Johanson, U., Anbarjafari, G., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+scanning+electron+microscopy+study+of+strains+of+ionic+electroactive+polymer+actuators.">In situ scanning electron microscopy study of strains of ionic electroactive polymer actuators.</a> Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 27 (8), 1061-1074 (2016).</li><li>Must, I., Kaasik, F., P&#245;ldsalu, I., Johanson, U., Punning, A., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+carbide-derived+carbon+laminate+used+as+a+mechanoelectrical+sensor.">A carbide-derived carbon laminate used as a mechanoelectrical sensor.</a> Carbon. 50 (2), 535-541 (2012).</li><li>Kruusam&#228;e, K., Punning, A., Aabloo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+model+of+a+carbon-polymer+composite+(CPC)+collision+detector.">Electrical model of a carbon-polymer composite (CPC) collision detector.</a> Sensors. 12 (2), 1950-1966 (2012).</li><li>Palmre, V., 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=Nanoporous+carbon-based+electrodes+for+high+strain+ionomeric+bending+actuators.">Nanoporous carbon-based electrodes for high strain ionomeric bending actuators.</a> Smart Materials and Structures. 18 (9), 095028 (2009).</li><li>Torop, J., 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=Microporous+and+mesoporous+carbide-derived+carbons+for+strain+modification+of+electromechanical+actuators.">Microporous and mesoporous carbide-derived carbons for strain modification of electromechanical actuators.</a> Langmuir. 30 (10), 2583-2587 (2014).</li><li>Baughman, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+Nanotube+Actuators.">Carbon Nanotube Actuators.</a> Science. 284 (5418), 1340-1344 (1999).</li><li>Palmre, V., 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=Electroactive+polymer+actuators+with+carbon+aerogel+electrodes.">Electroactive polymer actuators with carbon aerogel electrodes.</a> Journal of Materials Chemistry. 21 (8), 2577 (2011).</li><li>Lu, L., 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=Highly+stable+air+working+bimorph+actuator+based+on+a+graphene+nanosheet/carbon+nanotube+hybrid+electrode.">Highly stable air working bimorph actuator based on a graphene nanosheet/carbon nanotube hybrid electrode.</a> Advanced Materials. 24 (31), 4317-4321 (2012).</li><li>Kong, L., Chen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+Nanotube+and+Graphene-based+Bioinspired+Electrochemical+Actuators.">Carbon Nanotube and Graphene-based Bioinspired Electrochemical Actuators.</a> Advanced Materials. 26 (7), 1025-1043 (2014).</li><li>Nakshatharan, S. S., Johanson, U., Punning, A., Aabloo, 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,+fabrication,+and+characterization+of+motion+platform+actuated+by+carbon+polymer+soft+actuator.">Modeling, fabrication, and characterization of motion platform actuated by carbon polymer soft actuator.</a> Sensors and Actuators, A: Physical. 283, 87-97 (2018).</li></ol>

作者没有什么可透露的。

我们为离子机电活性复合材料制备提出了一种简单、快速、可重复和通用的制造方法，适用于各种执行器应用，并针对储能、收获33或感应34种应用进行了细微的修改。目前的方法侧重于具有整体无源和化学惰性成分的膜（例如，纺织增强聚合物网络或高多孔特氟龙膜，参见图3），因为此类膜也大大简化了执行器的制备过程。此外，与许多其他常见的执行器制造方法和材料相比，由于电极悬浮液或短路热点形成中的溶剂（或电解质），产生的膜膨胀和屈曲的风险较低。
电容式执行器层压处理的关键步骤是膜制备、电极制造、电流收集器附件、切割和接触（图2）。这些步骤中的每一个步骤都为自定义和性能优化留出了空间，但也为错误留出了空间。在以下一节中，我们将更详细地讨论此制造方法的有益修改和故障排除策略。需要牢记的几个关键方面的相互作用，具有高性能的复合结果：电极沿线的电子电导率充足（将金电流收集器添加到碳电极中）;通过膜产生足够的离子电导率（使用薄孔膜和足够数量的低粘度电解质，通过使用惰性聚合物网络降低膜与电解质之间不利相互作用的风险）;电极的高表面积（选择合适的碳类型）;定制电解质，导致电极非对称膨胀/收缩（选择合适的电解质）;机械参数（杨的部件的moduli）。高性能碳基执行器的这些主要方面也突出在图1B上。
高性能膜是该复合材料的核心部分。它有两个任务：防止电极之间的电子电导率（短路），同时实现高离子电导率。对膜的修改可以用于多种用途，例如Must等人24引入的工具集成或增加新的特性（例如，生物相容性、生物降解性或不同的机械特性）。目前的制造方法可以修改，以使用膜中的其他聚合物和电解质，为活性层压板引入新的特性。与此处针对纺织增强型执行器引入的溶剂选择策略一样，与膜制备相比，建议为后续电极制造选择较差的溶剂。这可确保在添加电极后，膜也能保持功能和完整。
最终复合材料的驱动性能受所选电极材料（碳）、电解质及其相互兼容性的影响。该协议采用碳基电容层压板，使用碳化硼衍生碳和1-ethyl-3-甲基甲氧乙酰甲烷磺酸（[EMIM][OTf]）离子液体。然而，同样的协议适用于其他高特定表面积碳材料，如来自其他来源的碳化物衍生碳（例如，TiC35、SiC或Mo2C36）、碳纳米管8、37、37碳8气凝胶38或石墨烯39等，最近还进行了40次审查。此外，其他电解质也可用于执行器制备。获得功能性复合材料并不限于本协议中介绍的碳和离子液体类型。碳颗粒大小、电极悬浮液中可能的聚集和悬浮粘度是喷涂过程更为关键的参数。
该方法能够大量生产具有可重复性能的机电活性层压材料。这种材料制成的执行器的小型化主要采用高精度切割（例如图3C）。在喷涂涂层41期间，可以采用替代方法制备精细结构，如遮蔽和图案。此外，毫米级结构也可以在随后的金电流收集器附着步骤中进行图案。然而，在亚毫米尺度中，这可能变得相当困难。如果可图案特征必须位于微米比例内，则没有金电流收集器的其他类型的执行器或碳基执行器可能更易于准备。
具有柔软、合规、安静操作和低要求电压水平，具有对电气刺激做出响应的内在软执行器，具有许多优点。目前的协议演示如何在不影响驱动性能的情况下，以大批量、高批次和批次内可重复性生产此类材料。对现有方法的修改，以纳入更有利于生物的、可能还可生物降解的组件，使生物体除了成功的总封装方法外，能够进行近距离或内部操作，并设想将来将引入的活性材料集成到软机器人或生物医学设备中。

离子机电活性聚合物或聚合物复合材料本质上是柔软和合规的材料，对不同的软机器人和生物仿学应用（例如，作为执行器、夹持器或生物启发机器人11、2）2越来越感兴趣。这种类型的材料响应几伏范围内的电信号，这使得它们易于与传统电子和电源3集成。许多不同类型的离子执行器基材料可用，如其他地方4详细描述，最近又有5种。此外，最近特别强调软机器人装置的发展，与开发有关活性材料和组件的先进制造工艺有密切的关系。此外，在制备具有从实验室向工业转移潜力的可重复执行器的高效和成熟工艺流程中的重要性，在以前的基于方法的研究7中也强调了这一点。
在过去的几十年中，许多制造方法已经开发或适应执行器的准备（例如，逐层铸造8和热压99，10，10浸渍减少11，画12，13，,13或溅射和随后的电化学合成14，15，,15喷墨印刷16和自旋涂层17）;有些方法更普遍，有些方法在材料选择方面比其它方法更有限。然而，目前的许多方法相当复杂和/或更适合实验室规模制造。目前的协议侧重于一种快速、可重复、可靠、可自动化和可扩展的执行器制造方法，可生产具有低批次到批次和批次内变异性和长执行器寿命18的主动层压板。该方法可供材料科学家用于开发用于下一代生物启发应用的高性能执行器。此外，遵循这种方法无需修改，为软机器人工程师和教师提供了开发和原型设计新设备或教授软机器人概念的积极材料。
离子机电活性聚合物或聚合物执行器通常由两层或三层层层复合材料制成，并弯曲，以响应几伏范围内的电刺激（图1）。这种弯曲运动是由电极层中的膨胀和收缩效应引起的，通常由电极上的法拉基（redox）反应（例如，在导电聚合物等机电活性聚合物（EAP）的情况下）或双层电容式充电（例如，在碳基聚合物电极中，聚合物可能只能充当活页夹）。在此协议中（图2），我们关注后者;我们展示了一种机电活性复合材料的制造，该复合材料由两个高特定表面区域电子导电碳基电极组成，由惰性离子导电膜隔开，促进电极之间的阳离子和阳离子运动，这种配置与超级电容器非常相似。这种类型的执行器弯曲，以回应电容充电/放电和由此产生的膨胀/收缩的电极通常归因于电阳和阳离子的体积和流动性的差异8,8，10，19。,19除非表面功能化碳用作活性材料，否则电容复合材料在电解质的电化学稳定性电位窗口外使用，否则预计此类电极20上不会发生异常反应。缺乏法拉达反应是导致这种执行器材料使用寿命长的主要原因（即，空气88、1818中数千个循环，用于不同的电容执行器）。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig1v4.jpg"> 图1：中性 （A） 和驱动状态 （B） 中的碳基执行器的结构。（B） 还强调了决定离子执行器性能的关键特性。注意：图形不绘制为缩放。离子大小被夸大了，以说明在惰性膜中普遍存在的最常见的驱动机制，这种机制使电解质（如离子液体）的Anions和阳离子都具有流动性。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig1v4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图形的较大版本。</a>
获得在整个制造过程中保持完整功能膜是成功执行器制备的关键步骤之一。执行器的高性能膜尽可能薄，可在电极之间实现离子电导率，同时阻止任何电子电导率。膜中的离子电导率可以由电解质与惰性多孔网络（例如，该协议中使用的方法）结合，或者使用具有共价粘结电离装置的特定聚合物或其他组，从而与电解质相互作用。前者之所以在这里比较简单，则最好采用这种方法，而电解质和聚合物网络之间的专门定制相互作用也可能具有优势，如果可以排除不利相互作用（例如，由于相互作用而显著阻塞或减缓电子运动）。机电活性执行器的电离膜或其他活性膜及其产生的驱动机制的选用已于21日进行了审查。膜选择，除了电极选择外，对执行器的性能、使用寿命和驱动机制起着至关重要的作用。目前的协议主要侧重于为电子迁移提供多孔结构的惰性膜（如图1所示），尽管协议的一部分（例如，膜选项C）也可能证明对活性膜有益。
除了膜材料的选择外，其制造方法在获得复合材料的功能分离器方面也起着重要作用。以前使用的铸膜往往在后来的热压步骤中熔化，因此可能形成短路热点22。此外，商业电离膜（如Nafion）往往膨胀和扣，以回应后期制造步骤12中使用的溶剂，一些聚合物（如纤维素23）已知在一定程度上溶解在某些离子液体中，可能导致制造过程的可重复性问题，导致电极的均匀性差。因此，该协议侧重于膜中集成无源和化学惰性分量（例如，玻璃纤维或带 PVDF 或 PTFE 的丝绸）的执行器，这些执行器可阻止复合材料在后来的制造步骤中膨胀和屈曲或形成短路热点。此外，与更传统的方法相比，添加惰性和被动组件可显著简化制造过程，并实现更大的批次尺寸。
Kaasik等人首先介绍了膜中被动强化。18以解决执行器制造过程中的上述问题。加入梭织纺织品强化（另见图3B和3D）进一步引入了将工具集成到主动复合材料24或开发智能纺织品18的能力。因此，协议中的膜选项C更适合此类应用。但是，对于小型执行器（在亚毫米水平中），膜中的被动-主动分量比变得越来越不利，并且包括有序的纺织品增强器可能会开始对执行器的性能和样品到样品的可重复性产生负面影响。此外，加固的方向（相对于弯曲方向的沿或对角）可能会意外影响形状较复杂执行器的性能。因此，订购较少且高多孔惰性结构对小型执行器和更复杂的执行器形状更有利。
聚四氟乙烯（PTFE，也以贸易名称知道铁氟龙）是迄今为止知道的最惰性聚合物之一。它通常是高度疏水性，但表面处理的版本，呈现亲水性存在，这是更容易可用于执行器制造。图3A说明了本协议中用于执行器制备的惰性亲水PTFE过滤膜的随机结构。除了这种材料在所有方向的均匀性，有利于切割小型化执行器或复杂形状，使用具有受控孔隙度的商业过滤膜，通过几乎消除任何膜制备的需要，进一步简化了执行器的制造过程。此外，在前面描述的纺织增强型配置中，膜厚度低至 30 μm 是极其困难的。因此，在大多数情况下，最好选择本协议中基于 PTFE 的执行器制造方法（选项 A 和 B），进一步考虑到选项 A 更快，但使用选项 B 制作的执行器显示较大的应变（在图 4B所示的频率范围内）。代表结果部分中引入的软夹持器也是使用首次浸泡在电解质中的PTFE膜制备的。
功能膜制备后，协议继续与电极制备和电流收集器附件。碳基电极使用喷涂添加，这是一种工业化的过程，能够对产生的电极层厚度进行高控制。与例如，在薄膜干燥25期间沉积碳颗粒的铸造方法（或可能还有其他液体方法）相比，使用喷涂涂层产生的电极更加均匀。此外，该方法的一个进一步特点依赖于溶剂选择策略，在纺织增强膜的情况下是最重要的。更确切地说，4-甲基-2-五烷（电极悬浮液和胶水溶液中的溶剂）不会溶解纺织增强膜膜溶液中使用的惰性膜增强剂或PVDF。因此，在喷涂过程中在复合材料中产生短路热点的风险进一步降低。
电容层压板在应用碳电极后已经激活。然而，使用黄金电流收集器获得数量级更快的执行器26。协议中另一个重要步骤是当相应的电极处于拉伸状态时（即复合材料弯曲）时，电流收集器的附件。因此，在执行器的中性平坦状态下，金箔将扣在亚毫米水平。这种逐块缓冲的 27方法可实现更高的变形，而不会破坏，而不是对精细 （±100 nm） 金属板的可能。
所有执行器制造步骤（膜制备、电极喷涂、电流收集器附件）也已在图 2中进行了总结。对于性能特征描述演示，我们准备了一个夹持器，该夹持器具有随机表面纹理，可顺从地抓握、按住和释放随机形状的物体。较简单的几何形状，例如长方形样品，宽高比为 1：4 或更高（例如，4 mm 至 20 mm，甚至 1 mm 到 20 mm28），从活性材料中切出并夹在悬臂位置，对于材料表征或其他利用弯曲型行为的应用也非常典型。
本文最后简要介绍了使用较简单的矩形执行器几何体的典型离子机电主动电容材料表征和故障排除技术。我们演示如何使用常见的电化学表征技术，如循环伏测量 （CV） 和电化学阻抗光谱 （EIS） 来更详细地对执行器材料进行表征和故障排除。在亚毫米水平下合成的可视化是使用扫描电子显微镜 （SEM） 完成的，为此我们使用低温压裂技术来制备样品。材料的聚合物特性使得通过常规切割很难获得清晰的横截面。但是，分解冻结的样本会导致定义良好的横截面。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig2v4.jpg"> 图 2：制造过程概述。突出显示了大多数重要步骤。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig2v4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图形的较大版本。</a>

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:715px;" width="715">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">~150 &#181;m thick gold plates for custom contacts</td>
			<td style="width:127px;">local jeweler</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">99.9% purity (24K)</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:219px;">1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([EMIM][OTf])</td>
			<td style="width:127px;">Solvionic</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">99.5%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">100 ml Erlenmeyer flask</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">4-methyl-2-pentanone (MP)</td>
			<td style="width:127px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">&#8805;99%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">acetone</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">technical grade</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">analytical balance</td>
			<td style="width:127px;">Mettler Toledo AB204-S/PH</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="92">
			<td height="92" style="height:92px;width:219px;">carbon powder</td>
			<td style="width:127px;">Y Carbon</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">boron carbide derived carbon, particle size &#60;10 &#181;m, specific surface area 1800 m2/g, pore volume 0.5 cm3/g</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">carbon powder</td>
			<td style="width:127px;">Skeleton Technologies</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">titanium carbide derived carbon</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:219px;">circular disk magnets (neodymium) for custom contacts</td>
			<td style="width:127px;">local hardware store</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">d = 2 mm, thickness 1 mm</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">compressed air supply for the airbrush</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="105">
			<td height="105" style="height:105px;width:219px;">crocodile clips with jaws insulated from each other (Kelvin clips)</td>
			<td style="width:127px;">local hardware store</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">Optional for making custom contacts. Regular crocodile clips are not suitable because there the jaws are connected to each other at the spring.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">disposable foam cup</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:219px;">epoxy glue</td>
			<td style="width:127px;">local hardware store</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">preferaby fast cure epoxy for attaching gold contacts to magnets</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">filter paper for drying</td>
			<td style="width:127px;">Munktell, Filtrak</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">e.g. diameter 150 mm and up if 142 mm PTFE sheet is used.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">flat nose tweezers</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">glass funnel</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">gold leaf on transfer sheets</td>
			<td style="width:127px;">Giusto Manetti Battiloro</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">24K</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">graduated glass cylinder</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">hairdryer or a heat gun</td>
			<td style="width:127px;">e.g. Philips</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">infrared ligth bulb</td>
			<td style="width:127px;">e.g. Philips</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:219px;">liquid nitrogen</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">CAUTION: Never close the lid of a liquid nitrogen container tightly. The pressure build-up could cause serious injuries.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">magnetic stirrer / hotplate</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">magnetic stirrer bars</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">about 1 cm long</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">metal pipe</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">e.g. d = 3 cm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">metal ruler</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">micrometer thickness gauge</td>
			<td style="width:127px;">Mitotuyo</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">range 0-25&#160;mm, precision 0.001&#160;mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">N,N-dimethylacetamide (DMAc)</td>
			<td style="width:127px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">99.5%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">paintbursh</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:219px;">plastic embroidery hoops</td>
			<td style="width:127px;">e.g. Pony</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">select the diameter depending on the desired batch size (e.g. 7.5 cm to 25 cm)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">plastic Pasteur pipettes</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">polyethylene-based laboratory stretch film</td>
			<td style="width:127px;">DuraSeal</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:219px;">polyvinylidene difluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP)</td>
			<td style="width:127px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">Mn = 130000, Mw = 400000</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">polyvinylidene fluoride (PVDF)</td>
			<td style="width:127px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">Mw (g/mol) = 534000</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">potentiostat/galvanostat/FRA</td>
			<td style="width:127px;">PARSTAT 2273</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">needed for electrochemical characterization</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">propylene carbonate (PC)</td>
			<td style="width:127px;">Merck</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">99%</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:219px;">PTFE filtration membrane</td>
			<td style="width:127px;">Omnipore</td>
			<td style="width:136px;">JVWP14225</td>
			<td style="width:233px;">0.1 &#181;m pore size, hydrophilic , 142&#160;mm diameter, 30&#160;&#181;m thickness, 80% porosity</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:219px;">PTFE filtration membrane</td>
			<td style="width:127px;">Omnipore</td>
			<td style="width:136px;">JGWP14225</td>
			<td style="width:233px;">0.2 &#181;m pore size, hydrophilic , 142&#160;mm diameter, 65&#160;&#181;m thickness, 80% porosity</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">scalpel</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">scotch tape</td>
			<td style="width:127px;"></td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">silk (woven textile)</td>
			<td style="width:127px;">Esaki Model Manufacturing</td>
			<td style="width:136px;">#3</td>
			<td style="width:233px;">11.5 g/m2</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">soldering equipment</td>
			<td style="width:127px;">local hardware store</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;">For connecting the ~150 &#181;m gold plates to the clips</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">spray gun, airbrush</td>
			<td style="width:127px;">Iwata HP TR-2</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">sputter coater</td>
			<td style="width:127px;">Leica EM ACE600</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:219px;">tabletop scanning electron microscope</td>
			<td style="width:127px;">Hitachi TM3000</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:219px;">ultrasonic processor</td>
			<td style="width:127px;">Hielscher UP200S</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:233px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication of carbon-based ionic electromechanically active soft actuators

离子机电主动电容层压板是一种智能材料，可响应电刺激而移动。由于这种变形具有柔软、合规和生物化的性质，层压板制成的执行器对软机器人和（生物）医疗应用越来越感兴趣。然而，需要方法，以大（甚至工业）数量，并具有高批次的批次和批次内可重复性，以容易制造活性材料的方法，才能将知识从实验室转移到工业。该协议描述了一种简单、工业上可扩展和可重复的方法，用于制造离子碳基机电活性电容式层压板及其执行器的制备。包含被动和化学惰性（不溶性）中间层（例如，纺织增强聚合物网络或微孔特氟龙）使该方法与其他方法不同。该协议分为五个步骤：膜制备、电极制备、电流收集器附件、切割和整形以及驱动。遵循协议会产生一种活动材料，例如，可以顺从地抓住并按住一个随机形状的对象，如本文所示。

区分成功实验和失败实验的主要端点是材料在连接到电源后对电信号的反应。在电气工程中，铜是一种众所周知的接触材料。然而，铜也是电化学活性的，因此不适合与此处引入的离子系统接触。使用铜触点可能会导致通过复合物形成树突而短路。此外，在材料表征的情况下，不可能区分电活性材料产生的电流（和驱动）和铜29的电化学活性产生的电流（和驱动）。我们以前曾表明，在湿电离膜（如Nafion）和铜端子29的情况下，如果没有任何添加的活性材料（即不含碳基或导电聚合物电极），则可驱动（尽管不可靠）。因此，此处使用活性材料的所有实验都只使用惰性金触点进行。
电化学阻抗光谱（EIS）是一种非破坏性方法，用于在使用前对电容执行器材料进行表征和故障排除。图4C和4D中的阻抗光谱采用电位定/电离法/FRA在双电极配置中捕获。样品（20 mm x 4 mm x 150 μm）位于金触点之间，阻抗测量期间的输入信号振幅设置为 5 mVRMS，并扫描频率从 200 kHz 到 0.01 Hz。图4C和4D分别显示了高 （±300 Ω cm2）或内部电阻低 （±5 Ω cm2）的执行器的典型阻抗光谱。光谱分别使用带干PTFE膜的样品和另一个带浸泡膜的样品进行记录。如果所有其他参数（例如机械参数）保持不变且材料一般处于活动状态，则通过材料的离子电导率越高，则往往对应于更快的执行器，并且可能在同一活动频率下有更多的位移（参见图 4B）。
EIS 的非破坏性特性特别有利于检测复合材料中的短路。对于按照当前协议准备的执行器，短路通常是由执行器侧面的电流收集器碎屑引起的（参见步骤 4.1.1 中的切割说明），或者更很少由故障膜引起（例如，未按照第 1.5 节的指示覆盖纺织增强膜中的所有针孔）。电阻器（在本例中为短路）将作为EIS实验奈奎斯特图上的点出现。观察这种响应是故障样品的特定指示器（有关功能电容执行器的参考光谱，请参阅图 4C和4D）。 短路样品通常不会激活。此外，由于电阻加热和导致复合材料在试图驱动时熔化，这些通常变得永久无用。
在功能形式上，这种材料是一种双层电容器，由于制造中使用的专门定制的电解质，它表现出弯曲运动，以响应双层的充电和放电。环旋伏测量（CV）是一种在电化学中广泛应用的技术，用于研究不同的系统。在 CV 实验中，工作电极（在本例中为执行器电极之一）的电位因色（此处为执行器的另一个电极）具有恒定速度（例如，±2 V 之间的 800 mV/s），并且系统电流响应使用电位定记录。电容式层压板的典型电流响应如图4E所示。样品与浸泡 PTFE 膜（在 4E中的深灰色）的电流响应类似于理想电容器的电流响应：电流不依赖于电极电位，在反转电位时，电流方向（因此其符号）立即（几乎）发生变化，从而产生（几乎）矩形伏安图。样品与最初干燥的膜（以粉红色在4E）的电流响应显示，在这种扫描速率下，电容器性能不太理想，这可能是由于材料的内部电阻高（如图4C中的EIS所示）。尽管如此，这两个样本都显示了复合材料的电容性。另一方面，图 4E中的浅灰色线条显示错误样本（例如短路样本）的可能行为，这些样本将密切关注欧姆定律。
图4A和图4B中介绍了不同功能执行器的性能。图 4A显示了视频中的快照，其中 5 指热成型执行器抓住、保持和释放随机形状的物体以响应电压步骤。更简单的几何体通常用于材料表征目的。例如，图 4B突出显示干燥和浸泡的 PTFE 膜执行器的最大弯曲角度28，30，,30以响应 ±2 V 之间的三角电压信号。为了描述不同的执行器材料，样品（4 毫米 x 20 mm x 150 μm）被放置在悬臂位置的金夹之间（保持 18 mm 自由长度进行驱动），并使用摄像机记录弯曲角度。或者，沿执行器的单个点（例如，距离触点的 5 mm）的移动通常被及时监控，并用于应变差计算31、32。视频处理虽然更为复杂，但提供了有关样品整体弯曲轮廓的更多信息，并且如果出现此类需求，还可以稍后重新分析性能。图4B中的0.1 Hz点对应于图4E的循环伏尔美实验中使用的完全相同的信号，包括驱动电压和驱动频率。例如，使用相同的信号进行表征和驱动，可以让我们对材料的电容性以及驱动过程中电化学反应的稳定性和缺乏做出结论。
电化学方法（EIS、CV）、（通常）微米级（SEM）中执行器结构的可视化和位移表征是描述离子执行器和评估制造过程成功的最常见方法。但是，在更具体的应用中，评估执行器性能的自定义实验通常是为了评估特定于应用的性能（例如，承载负载的能力）。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig3.jpg"> 图3：成像。扫描电子显微图，显示高多孔PTFE膜（A） 和使用同一膜制造的执行器的横截面，显示无分层 （C）.SEM显微图显示纺织品增强执行器（D） 的横截面，以及相应丝绸增强器的光学照片 （B）。SEM 横截面的样品首先使用液氮进行低温断裂，安装在金属样品支架上，然后用 5 nm 的黄金溅出，使用溅射涂布器进行更好的定义。桌面扫描电子显微镜用于在15 keV加速度电压下成像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图形的较大版本。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig4.jpg"> 图 4：执行器的代表性结果。（A） 五臂夹持器的电压步长和相应的图像，可顺从地抓住具有随机形状的物体（无触点为 21 mg;聚苯乙烯泡沫负载为 17.8 mg）;（B） 总弯曲角度为 4 mm x 20 mm x 150 μm PTFE 型执行器，夹在金触点（18 mm 自由长度）之间，以响应不同驱动频率的三角形驱动信号 （±2 V）（n=3，误差条表示均值的一个标准偏差）;（C和D）机电活性电容层压板的典型电化学阻抗光谱（5 mVRMS信号振幅）;（E）电容层压板的典型循环伏尔美（三角驱动信号，使用 800 mV/s 扫描速度，对应于B中的 0.1 Hz 点）。圆环伏安图上的灰色线用于比较，并显示来自一个潜在故障执行器（本质上是电阻器）的反应，该执行器将密切关注欧姆定律。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图形的较大版本。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig5.jpg"> 图5：膜制备过程中的自旋干燥。（A） 设置的示意图 （B） 设置的图像与附加的增强框架.在旋转干燥过程中，离心力将膜层中的残余溶剂定向到框架的边缘。这有利于加速干燥过程。然而，在完全湿膜的情况下，这可能导致活性材料（聚合物和离子液体）的损失，因此应避免。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图形的较大版本。</a>

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Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

本文介绍了用于生物医学、生物仿生和软机器人应用中执行器的离子机电活性复合材料的快速简便的制造过程。详细介绍了关键制造步骤、它们对执行器最终性能的重要性以及一些主要表征技术。

碳基离子机电活性软执行器的制造

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

该协议描述了为生物医学和软机器人应用制造碳基机电活性材料。这种方法的主要优点是，它也使离子执行器的可重复制造也大量。观看此视频应让您更好地了解如何制造和使用离子执行器。该协议分为五个步骤。首先，准备离子传导膜。然后，它被碳基电极覆盖，金电流收集器连接到。将样品切割成形状后，材料即可使用。首先，选择三 PTFE 膜、浸泡在电解质中的相同膜或纺织增强膜。每个选项都产生功能执行器。有关所选内容的帮助，请参阅文本。材料使用框架进行准备。拿一个高孔隙度PTFE表，并放在框架上。紧绷并固定框架上的纸张。小心不要损坏干膜。一旦膜准备就绪，跳到电极制造步骤。拿一个大的培养皿，在里面放置高孔隙度PTFE表。加入过量的离子液体。确保整个工作表已覆盖。一旦膜充分浸泡，使用移液器去除多余的。小心地将膜放在滤纸之间，以去除任何未被 PTFE 纸张吸收的离子液体。重复此过程，直到纸张半透明，但非湿。将浸泡的膜紧放在塑料框架上。确保避免任何皱纹和褶皱。现在，膜已准备就绪，请跳到电极制造步骤。拿一个织物与精细的惰性纤维，并固定到框架上。一定要绷紧它好。用剪刀修剪多余的织物。小心地去除任何松动的纤维。在烟罩下工作时，用薄薄的膜溶液覆盖织物。有关确切配方，请参阅文本。让第一层完全干燥。首先，使用热枪，然后使用热枪以及专用设置，以加快干燥过程。避免在完全湿膜上使用过高的旋转速率，因为它可能会导致活性材料的丢失。有关详细信息，请参阅文本。检查膜背光有没有针孔。继续涂覆涂层，直到获得无缺陷膜。添加后续膜层时格外小心。尽可能涂抹薄层，切从不对已经潮湿的表面进行两次涂抹。在两侧应用图层。这样，钢筋将保留在复合材料的中间。在添加另一层之前，先让一层干燥。获得无缺陷膜后，使用厚度计检查其厚度。目前，它是54微米。在密封的烧瓶中，使用磁搅拌器和温度控制的热板在70摄氏度下通宵搅拌，将聚合物溶解在溶剂中。有关确切配方，请参阅文本。放入另一个烧瓶中，称量碳粉，加入离子液体、溶剂和磁搅拌棒。密封烧瓶并混合。一旦碳悬浮液均质且聚合物溶解，固定或去除磁珠，将聚合物溶液倒入碳悬浮液中。使用 10 毫升溶剂去除烧瓶壁上的聚合物残留物，并将其添加到碳悬浮液中。使用超声波探头使悬架均匀。之后，暂停即可使用或存储。用丙酮填充喷枪或空气刷的储液罐。先在一张纸上测试流量。确保空气刷清洁且无堵塞。在储存过程中，悬浮液可能会变成凝胶。在70摄氏度的封闭容器中混合，获得液体。用电极悬架填充空气刷的储液罐。首先在一张纸上测试悬架流。拿准备好的膜。开始喷枪之前，开始移动喷枪。保持枪直冲移动。在开始喷涂另一侧之前，让一侧干燥。喷洒，直到达到所需的厚度。小心地从框架中取下材料。如果使用纺织品增强膜，则将切口与纤维对齐。用金属尺子和手术刀切割四厘米三厘米。这种切割尺寸对于中小型批次来说最方便。但是，对于获得工作执行器来说，这一点并不重要。拿一根金属管或管子，把切割件固定上。尝试仅将大约一毫米的执行器材料与胶带重叠。在转印纸上拿一张细金，切成四厘米。将其中一张放在纸巾上。用薄层胶水喷洒复合材料。有关确切配方，请参阅文本。快速将空气刷垂直存放。当胶水仍然湿润时，将管子卷过金箔。滚动时不需要过大的压力。取出转移并再次翻过纸巾，以确保黄金正确连接。将材料晾干。干燥后，小心地取出胶带，将材料从管道中释放出来。用丙酮清洁管道。将材料固定在管道上，金涂层侧朝向管道。然后重复这些步骤，将当前收集器也连接到另一侧。请注意用胶带覆盖的两侧。剪切矩形或更复杂的形状。四由二十毫米的样本适合表征。将样品长度与弯曲方向对齐。软夹持器必须先进行热成型。将执行器放入玻璃瓶模具中，使抓斗变成形状。执行器进入模具内部后，将它们放入烤箱或使用红外光。夹持器放置在金触点之间，金侧朝向有源材料。使用电压步骤来处理有效负载。打开抓握器。关闭抓握器。用手提升有效负载。测试手柄。最后，释放有效负载。开尔文夹用于表征。将执行器放在夹子之间，并使用摄像机监控角度 Alpha。在三角信号的情况下，功能执行器的电流响应是电容式响应。而错误样本的反应与欧姆定律非常密切，并且是电阻的。使用扫描电子显微镜来描述执行器结构。样品使用液氮冻结断裂，以获得干净的切截面。注意：切不要合上液氮容器的盖子。压力积聚可能导致严重伤害。首先，在液氮中冻结执行器几分钟。然后用两组冷钳子来打破冷冻样品。纺织增强的执行器在冻结状态下可能无法打破。将手术刀与执行器一起冷冻，将冷冻样品切成两块。这是 PTFE 执行器的横截面，显示两个碳电极，由 PTFE 膜隔开，形成执行器。此方法的要点是将惰性增强（如 PTFE）包含在膜层中。这大大简化了制造过程，并能够大规模可重复地制造活性材料。我们的方法显示了一条通往离子执行器工业规模制造前景看好的路径。

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自由形式的光驱动器 - 制作和开动控制在微观尺度

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

Experimental Implementation of a New Composite Fabrication Method: Exposing Bare Fibers on the Composite Surface by the Soft Layer Method

一种新的复合制备方法的实验实现: 用软层法对复合材料表面裸露纤维进行曝光

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional ...

Fabrication of Soft Pneumatic Network Actuators with Oblique Chambers

斜腔软气动网络驱动器的研制

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

Studying Large Amplitude Oscillatory Shear Response of Soft Materials

软材料大振幅振荡剪切响应的研究

We investigate the sequence of physical processes exhibited during large amplitude oscillatory shearing (LAOS) of polyethylene oxide (PEO) in dimethyl ...

Controlling Flow Speeds of Microtubule-Based 3D Active Fluids Using Temperature

使用温度控制基于微管的3D活性流体的流速

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method ...

Rapid Manufacturing of Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots

快速制造薄软气动执行器和机器人

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 ...

Modeling and Experimental Analysis of the Single-Shaft Coaxial Motor-Pump Assembly in Electrohydrostatic Actuators

静电静压执行器中单轴同轴电机泵组件的建模与实验分析

An electrohydrostatic actuator (EHA) can be the most promising alternative compared with the traditional hydraulic servo actuators for its high power ...