Name: fabrication of carbon-based ionic electromechanically active soft actuators
Uploaded: 2020-04-25T13:00:00
Duration: 14 min 42 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators at JoVE.com

De auteurs willen Ron Hovenkamp en Marcel Mulder van Philips Research bedanken voor nuttige discussies. Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door institutionele onderzoeksfinanciering IUT (IUT 20-24) van het Estse ministerie van Onderwijs en Onderzoek, door de Estse subsidie van de Onderzoeksraad (PUT1696), door het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling, door het programma Mobilitas Pluss (Grant No MOBTP47), door het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie in het kader van de Marie Skłod-Curie-subsidieovereenkomst nr. , een eit-gezondheidsinnovatieproject. EIT Health wordt ondersteund door EIT, een orgaan van de Europese Unie.

<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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

We presenteerden een eenvoudige, snelle, herhaalbare en veelzijdige fabricagemethode voor ionische elektromechanisch actieve composietvoorbereiding voor verschillende actuatortoepassingen, en met kleine wijzigingen ook voor energieopslag, oogsten33 of sensing34 toepassingen. De huidige methode richt zich op membranen met een integraal passief en chemisch inert component (bijvoorbeeld een met textiel versterkt polymeernetwerk of een zeer poreus Teflon membraan, zie ook figuur 3), omdat dergelijke membranen het actuatorvoorbereidingsproces ook op grote schaal aanzienlijk vereenvoudigen. Bovendien hebben de resulterende membranen een lager risico op zwelling en knik als gevolg van oplosmiddelen (of elektrolyt) in de elektrodesuspensie of van kortsluitingshotspotvorming in vergelijking met veel andere gangbare actuatorfabricagemethoden en -materialen.
De kritische stappen in de capacitieve actuator laminaat voorbereiding zijn het membraan voorbereiding, elektrode fabricage, huidige collector bevestiging, snijden, en contact (Figuur 2). Elk van deze stappen laat ruimte voor maatwerk en prestatieoptimalisatie, maar ook voor fouten. In de volgende sectie zullen we de gunstige wijzigingen en probleemoplossingsstrategieën van deze fabricagemethode nader in detail bespreken. Een hoogwaardige composiet is het resultaat van het samenspel van verschillende belangrijke aspecten die in gedachten moeten worden gehouden: voldoende elektronische geleidbaarheid langs de elektrode (voeg goudstroomcollectortoehal n.a.v. koolstofelektroden toe); voldoende ionische geleidbaarheid door het membraan (gebruik een dun poreus membraan en voldoende hoeveelheid elektrolyt met een lage viscositeit, vermindert het risico op ongunstige interacties tussen het membraan en het elektrolyt met behulp van een inert polymeernetwerk); hoge oppervlakte van de elektrode (selecteer een geschikt koolstoftype); op maat gemaakte elektrolyten die resulteren in asymmetrische zwelling/samentrekking van de elektroden (selecteer een geschikt elektrolyt); mechanische parameters (Young's moduli van de componenten). Deze belangrijkste aspecten van een hoogwaardige koolstofgebaseerde actuator worden ook op figuur 1B belicht.
Een high-performance membraan is het centrale deel van deze composiet. Het heeft twee taken: voorkomen dat elektronengeleiding (kortsluiting) tussen de elektroden, terwijl het mogelijk maken van een hoge ionische geleidbaarheid. Wijzigingen aan het membraan kunnen verschillende doeleinden dienen, bijvoorbeeld gereedschapsintegratie zoals geïntroduceerd door Must et al.24 of de toevoeging van nieuwe eigenschappen (bijvoorbeeld biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid of verschillende mechanische eigenschappen). De huidige fabricagemethode kan worden aangepast om andere polymeren en elektrolyten in het membraan te gebruiken om nieuwe eigenschappen in het actieve laminaat te introduceren. Net als de hier geïntroduceerde oplosmiddelselectiestrategie voor de met textiel versterkte actuatoren, is het raadzaam om slechtere oplosmiddelen te selecteren voor de daaropvolgende elektrodefabricage in vergelijking met het membraanpreparaat. Dit zorgt ervoor dat het membraan ook na toevoeging van elektroden functioneel en intact blijft.
De actuatieprestaties van het uiteindelijke composiet worden beïnvloed door het geselecteerde elektrodemateriaal (koolstof), het elektrolyt en eventueel de compatibiliteit ervan met elkaar. Dit protocol introduceert de fabricage van op koolstof gebaseerde capacitieve laminaat met behulp van boorcarbide afgeleide koolstof en 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonaat ([EMIM][OTf]) ionische vloeistof. Hetzelfde protocol is echter aanpasbaar aan andere koolstofmaterialen met een hoog oppervlak, zoals koolstofuit bidmeerproducten uit andere bronnen (bijvoorbeeld TiC35, SiC of Mo2C36),koolstofnanobuisjes8,,37, koolstofaerogel38 of grafeen39, en andere, zoals onlangs ook is beoordeeld40. Bovendien kunnen ook andere elektrolyten worden gebruikt in de actuator voorbereiding. Het verkrijgen van een functionele composiet is niet beperkt tot de koolstof- en ionische vloeistoftypen die in dit protocol worden gepresenteerd. De grootte van de koolstofdeeltjes, de mogelijke agglomeratie in de elektrodesuspensie en de veringsviscositeit zijn crucialere parameters voor het spuitcoatingproces.
Deze methode maakt de productie van elektromechanisch actief laminaatmateriaal met reproduceerbare eigenschappen in grote hoeveelheden mogelijk. Miniaturisatie van actuatoren gemaakt van dit materiaal wordt voornamelijk uitgevoerd met behulp van hoge precisie snijden (bijvoorbeeld figuur 3C). Alternatieve methoden voor het voorbereiden van fijne structuren, zoals maskeren, en patronen zijn mogelijk tijdens spray-coating41. Bovendien kunnen millimeter-schaal structuren ook worden patroon in de daaropvolgende goudstroom collector bevestiging stap. Echter, in sub-millimeter schaal kan dit heel moeilijk worden. Andere soorten actuatoren of op koolstof gebaseerde actuatoren zonder goudstroomcollectoren kunnen gemakkelijker te bereiden zijn, als de patroonbare kenmerken in de micrometerschaal moeten zijn.
Intrinsiek zachte actuatoren die reageren op elektrische stimuli hebben vele voordelen dankzij hun zachte en conforme aard, stille werking en lage vereiste spanningsniveaus. Het huidige protocol laat zien hoe dergelijk materiaal in grotere hoeveelheden en met een hoge batch-to-batch en binnen-batch herhaalbaarheid te produceren zonder afbreuk te doen aan de actuatie prestaties. Wijzigingen in de huidige methode om meer bio-vriendelijke en eventueel ook bio-afbreekbare componenten die operatie dicht of in levende organismen in aanvulling op succesvolle totale inkapseling benaderingen, en de integratie van de geïntroduceerde actieve materiaal in zachte robot of biomedische apparaten zijn voorzien voor de toekomst.

Ionisch elektromechanisch actieve polymeer- of polymere composieten zijn intrinsiek zachte en conforme materialen die steeds meer belangstelling hebben gekregen voor verschillende zachte robotica en biomimetische toepassingen (bijvoorbeeld als actuatoren, grijpers of biogeïnspireerde robots1,2). Dit type materiaal reageert op elektrische signalen in het bereik van een paar volt, waardoor ze gemakkelijk te integreren zijn met conventionele elektronica en krachtbronnen3. Veel verschillende soorten ionische actuator basismaterialen zijn beschikbaar, zoals beschreven in detail elders4, en weer zeer recent5. Bovendien is de laatste tijd met name benadrukt dat de ontwikkeling van zachte robotapparaten nauw verbonden zal zijn met de ontwikkeling van geavanceerde productieprocessen voor relevante actieve materialen en componenten6. Bovendien is het belang van een efficiënte en gevestigde processtroom bij de bereiding van reproduceerbare actuatoren die het potentieel hebben om van het laboratorium naar de industrie over te stappen, ook in eerdere op methoden gebaseerde studiesbenadrukt 7.
In de afgelopen decennia zijn veel fabricagemethoden ontwikkeld of aangepast voor de bereiding van actuatoren (bv. laag-voor-laag gieten8 en warmpersen9,10, impregnatie-reductie11, schilderij12,13, of sputteren en daaropvolgende elektrochemische synthese14,15, inkjet druk16 en spin-coating17); sommige methoden zijn universeler, en sommige zijn meer beperkend in termen van materiaalselectie dan anderen. Echter, veel van de huidige methoden zijn vrij ingewikkeld en / of meer geschikt voor laboratorium schaal fabricage. Het huidige protocol richt zich op een snelle, herhaalbare, betrouwbare, geautomatiseerde en schaalbare actuator fabricage methode om actieve laminaat te produceren met lage batch-to-batch en binnen-batch variabiliteit en een lange actuator levensduur18. Deze methode kan worden gebruikt door materiaalwetenschappers om krachtige actuatoren te ontwikkelen voor de volgende generatie biogeïnspireerde toepassingen. Bovendien, na deze methode zonder wijzigingen geeft zachte robotica ingenieurs en docenten een actief materiaal voor de ontwikkeling en prototyping van nieuwe apparaten, of voor het onderwijzen van zachte robotica concepten.
Ionische elektromechanisch actieve polymeer- of polymere actuatoren zijn meestal gemaakt van twee- of drielaags laminaire composieten en buigen in reactie op elektrische stimulatie in het bereik van enkele volt(figuur 1). Deze buigbeweging wordt veroorzaakt door de zwellings- en contractieeffecten in de elektrodelagen, en wordt meestal veroorzaakt door faradaische (redox)-reacties op de elektroden (bijvoorbeeld in het geval van elektromechanisch actieve polymeren (EAP's) zoals de geleidende polymeren) of door capacitief opladen van de dubbele laag (bijvoorbeeld in polymeerelektroden op basis van koolstof, waar het polymeer alleen als bindmiddel kan fungeren). In dit protocol (figuur 2) richten we ons op het laatste; we tonen de fabricage van een elektromechanisch actief composiet dat bestaat uit twee hoge specifieke oppervlakte elektronisch geleidende koolstofgebaseerde elektroden die worden gescheiden door een inert ion-geleidend membraan dat de beweging van kationen en anionen tussen de elektroden vergemakkelijkt - een configuratie die sterk lijkt op de supercondensatoren. Dit type actuator buigt in reactie op capacitief laden/ontladen en de daaruit voortvloeiende zwelling/samentrekking van de elektroden wordt meestal toegeschreven aan de verschillen in het volume en de mobiliteit van kationen en anions van het elektrolyt8,10,19. Tenzij oppervlakte-gefunctionaliseerde koolstof wordt gebruikt als het actieve materiaal of de capacitieve composiet wordt gebruikt buiten de elektrochemische stabiliteit potentieel venster van het elektrolyt, geen faradaic reacties worden verwacht plaats te vinden op dit type elektroden20. Het ontbreken van faradaic reacties is de belangrijkste bijdrage aan de gunstig lange levensduur van dit actuatormateriaal (d.w.z., duizenden cycli in lucht8,18 getoond voor verschillende capacitieve actuatoren).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig1v4.jpg"> Figuur 1: De structuur van de op koolstof gebaseerde actuator in de neutrale (A) en in de aangedreven toestand (B). (B) wijst ook op de belangrijkste kenmerken die de prestaties van een ionische actuator bepalen. Opmerking: het cijfer wordt niet op schaal aangetrokken. Ionengrootte is overdreven om het meest geciteerde actuatiemechanisme te illustreren dat voorkomt in het geval van een inert membraan dat de mobiliteit van zowel anionen als kationen van het elektrolyt mogelijk maakt (bijvoorbeeld ionische vloeistof). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig1v4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
Het verkrijgen van een functioneel membraan dat intact blijft gedurende het hele fabricageproces is een van de belangrijkste stappen in de succesvolle actuatorvoorbereiding. Een high-performance membraan voor een actuator is zo dun mogelijk en maakt ionische geleidbaarheid tussen de elektroden mogelijk, terwijl het blokkeren van elke elektronische geleidbaarheid. De ionische geleidbaarheid in het membraan kan het gevolg zijn van het combineren van het elektrolyt met een inert poreus netwerk (bijvoorbeeld de aanpak die in dit protocol wordt gebruikt) of door het gebruik van specifieke polymeren met covalent gebonden geïoniseerde eenheden of andere groepen die interacties met het elektrolyt mogelijk maken. De eerste benadering heeft hier de voorkeur voor zijn eenvoud, terwijl specifiek op maat gemaakte interacties tussen het elektrolyt en het polymeernetwerk ook voordelen kunnen hebben, als ongunstige interacties (bijvoorbeeld het blokkeren of vertragen van ionenbewegingen aanzienlijk als gevolg van interacties) kunnen worden uitgesloten. De uitgebreide selectie van ionomische of anderszins actieve membranen voor elektromechanisch actieve actuatoren en de daaruit voortvloeiende werkingsmechanismen zijn onlangs herzien21. De membraanselectie speelt, naast de elektrodeselectie, een cruciale rol in de prestaties, levensduur en actuatiemechanisme van de actuator. Het huidige protocol richt zich voornamelijk op inerte membranen die de poreuze structuur voor ionenmigratie bieden (zoals afgebeeld op figuur 1),hoewel delen van het protocol (bijvoorbeeld membraanoptie C) ook gunstig kunnen zijn voor actieve membranen.
Naast de membraanmateriaalselectie speelt de fabricagemethode ook een belangrijke rol bij het verkrijgen van een functionele afscheider voor het composiet. Eerder gebruikte gegoten membranen hebben de neiging om te smelten tijdens de latere hot-pressing stap en kunnen daarom kortsluiting hotspots22. Bovendien hebben commerciële ionomische membranen (bijvoorbeeld Nafion) de neiging om aanzienlijk op te zwellen en gespen in reactie op oplosmiddelen die worden gebruikt in de latere productiestappen12, en sommige polymeren (bijvoorbeeld cellulose23)staan erom bekend dat ze tot op zekere hoogte oplossen in sommige ionische vloeistoffen, wat mogelijk problemen veroorzaakt met de herhaalbaarheid van het fabricageproces en resulteert in een slechte uniformiteit van de elektroden. Daarom richt dit protocol zich op actuatoren met een integraal passief en chemisch inert component in het membraan (bijvoorbeeld glasvezel of zijde met PVDF of PTFE) die het composiet stopt met zwellen en knikken in latere fabricagestappen of kortsluitingshotspots vormen. Bovendien vereenvoudigt de toevoeging van een inerte en passieve component het productieproces aanzienlijk en maakt het grotere batchgroottes mogelijk in vergelijking met meer traditionele methoden.
De opname van een passieve versterking in het membraan werd voor het eerst geïntroduceerd door Kaasik etal. 18 om de bovengenoemde problemen in het actuatorproductieproces aan te pakken. De opname van een geweven textielversterking (zie ook figuur 3B en 3D)introduceert verder de mogelijkheid om gereedschappen te integreren in de actieve composiet24 of om slim textiel te ontwikkelen18. Daarom is het membraan optie C in het protocol meer geschikt voor dergelijke toepassingen. In het geval van geminiaturiseerde actuatoren (in het submillimeterniveau) wordt de passief-naar-actieve componentverhouding in het membraan echter steeds ongunstiger en kan de opname van een geordende textielversterking de prestaties van de actuator en de herhaalbaarheid van monster tot monster negatief gaan beïnvloeden. Bovendien kan de richting van de wapening (langs of diagonaal met betrekking tot de buigrichting) de prestaties van complexer gevormde actuatoren onverwacht beïnvloeden. Daarom zou een minder geordende en zeer poreuze inerte structuur voordeliger zijn voor geminiaturiseerde actuatoren en complexere actuatorvormen.
Polytetrafluorethyleen (PTFE, ook bekend onder de handelsnaam Teflon) is een van de meest inerte polymeren weten tot nu toe. Het is meestal zeer hydrofoob, maar oppervlakte-behandelde versies die hydrofiel zijn gemaakt bestaan, die gemakkelijker bruikbaar zijn in de actuator fabricage. Figuur 3A illustreert de willekeurige structuur van een inerte hydrofielPTFE filtratiemembraan dat in dit protocol werd gebruikt voor actuatorvoorbereiding. Naast de uniformiteit van dit materiaal in alle richtingen die gunstig is voor het uitsnijden van geminiaturiseerde actuatoren of complexe vormen, met behulp van een commerciële filtratie membraan met gecontroleerde porositeit verder vereenvoudigt de actuator fabricage proces door bijna elimineren van de noodzaak voor een membraan voorbereiding. Bovendien zijn membraandiktes tot 30 μm uiterst moeilijk te verkrijgen in de eerder beschreven textielversterkte configuratie. Daarom moeten op PTFE gebaseerde actuatorfabricagemethoden (opties A en B) uit dit protocol in de meeste gevallen de voorkeur krijgen, aangezien optie A sneller is, maar actuatoren die met optie B worden gemaakt, tonen grotere stammen (in het frequentiebereik in figuur 4B). De zachte grijper geïntroduceerd in de representatieve resultaten sectie werd ook bereid met behulp van de PTFE membraan eerst gedrenkt in elektrolyt.
Nadat een functioneel membraan is voorbereid, gaat het protocol verder met de elektrodevoorbereiding en de huidige collector-bevestiging. De op koolstof gebaseerde elektroden worden toegevoegd met behulp van spray-coating – een industrieel vastgestelde procedure die een hoge controle over de resulterende elektrode laag dikte mogelijk. Er worden meer uniforme elektroden geproduceerd met een spuitcoating in vergelijking met bijvoorbeeld de gietmethode (of mogelijk ook andere vloeibare methoden) waarbij sedimentatie van koolstofdeeltjes tijdens het drogen van de film25 is bekend. Bovendien is een ander kenmerk van de gepresenteerde fabricagemethode gebaseerd op de oplosmiddelselectiestrategie die het belangrijkst is in het geval van met textiel versterkte membranen. Om precies te zijn lost 4-methyl-2-pentanone (het oplosmiddel in de elektrodesuspensie en lijmoplossing) de inerte membraanversterkingen of PVDF die worden gebruikt in de membraanoplossing van het met textiel versterkte membraan niet op. Daarom wordt het risico van kortsluiting hotspots in de composiet tijdens spray coating verder verminderd.
Het capacitieve laminaat is al actief na het aanbrengen van koolstofelektroden. Echter, een orde van grootte snellere actuatoren26 worden verkregen met de toepassing van goudstroom verzamelaars. Een andere belangrijke stap in het protocol is de bevestiging van de huidige collectoren, terwijl de overeenkomstige elektrode is in de uitgerekte staat (dat wil zeggen, de composiet is gebogen). Daarom wordt in de neutrale vlakstaat van de actuator het bladgoud in het submillimeterniveau gegespt. Deze buffering-by-buckling27 aanpak maakt hogere vervormingen zonder breken dan anders mogelijk zou zijn voor een fijne (~ 100 nm) metalen plaat.
Alle actuator productiestappen (membraanvoorbereiding, elektrode spuiten, huidige collector attachment) zijn ook samengevat in figuur 2. Voor de performance characterization demonstratie hebben we een grijper voorbereid die een willekeurig gevormd object met een willekeurige oppervlaktetextuur vastgrijpt, vasthoudt en vrijgeeft. Eenvoudigere geometrieën, zoals rechthoekige monsters met een beeldverhouding van 1:4 of hoger (bijvoorbeeld 4 mm tot 20 mm of zelfs 1 mm tot 20 mm28)die uit het actieve materiaal zijn gesneden en in de cantileverpositie zijn geklemd, zijn ook zeer typerend voor materiaalkarakterisering of andere toepassingen die gebruikmaken van het buiggedrag.
Het artikel eindigt met een korte introductie in de typische ionische elektromechanisch actieve capacitieve materiaalkarakterisering en probleemoplossing technieken met behulp van de eenvoudiger rechthoekige actuator geometrie. We laten zien hoe je gemeenschappelijke elektrochemische karakteriseringstechnieken zoals cyclische voltammetrie (CV) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) gebruiken om het actuatormateriaal in meer detail te karakteriseren en op te lossen. De visualisatie van de composiet in sub-millimeter niveau wordt gedaan met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM), waarvoor we gebruik maken van de cryo-breken techniek om de monsters voor te bereiden. De polymere aard van het materiaal maakt het moeilijk om duidelijke dwarsdoorsnedes te verkrijgen met slechts regelmatig snijden. Het breken van bevroren monsters resulteert echter in goed gedefinieerde dwarsdoorsnedes.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig2v4.jpg"> Figuur 2: Overzicht van het fabricageproces. De belangrijkste stappen worden gemarkeerd. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig2v4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</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

Ionische elektromechanisch actieve capacitieve laminaat zijn een soort slim materiaal dat beweegt in reactie op elektrische stimulatie. Door het zachte, conforme en biomimetische karakter van deze vervorming hebben actuatoren gemaakt van het laminaat steeds meer interesse gekregen in zachte robotica en (bio)medische toepassingen. Er zijn echter methoden nodig om het actieve materiaal gemakkelijk in grote (zelfs industriële) hoeveelheden en met een hoge batch-to-batch en herhaalbaarheid binnen partij te fabriceren om de kennis van laboratorium naar industrie over te brengen. Dit protocol beschrijft een eenvoudige, industrieel schaalbare en reproduceerbare methode voor de fabricage van elektromechanisch actieve capacitieve laminiaters op basis van ionische koolstofen de bereiding van actuatoren die daarvan zijn gemaakt. De opname van een passieve en chemisch inerte (onoplosbare) middenlaag (bijvoorbeeld een met textiel versterkt polymeernetwerk of microporeus Teflon) onderscheidt de methode van anderen. Het protocol is verdeeld in vijf stappen: membraanvoorbereiding, elektrodevoorbereiding, stroomcollectorbevestiging, snijden en vormgeven en bediening. Het volgen van het protocol resulteert in een actief materiaal dat bijvoorbeeld een willekeurig gevormd object kan begrijpen en vasthouden, zoals in het artikel wordt aangetoond.

Het primaire eindpunt om onderscheid te maken tussen een succesvol en een mislukt experiment is de reactie van het materiaal op elektrische signalen nadat het is aangesloten op een voeding. In de elektrotechniek is koper een bekend materiaal voor contactmaken. Koper is echter ook elektrochemisch actief en daarom niet geschikt om contact te maken met een ionisch systeem dat hier wordt geïntroduceerd. Het gebruik van koperen contacten kan kortsluiting veroorzaken als gevolg van dendrietenvorming door de composiet. Bovendien is het in geval van materiële karakterisering onmogelijk onderscheid te maken tussen stromingen (en actuatie) die voortvloeien uit het elektroactieve materiaal en die voortvloeien uit de elektrochemische activiteit van koper29. We hebben eerder aangetoond dat actuatie – hoewel onbetrouwbaar – zonder extra actief materiaal (d.w.z. zonder de koolstof- of geleidende polymeerelektroden) mogelijk is in het geval van natte ionomermembranen (bijvoorbeeld Nafion) en alleen koperterminals29. Daarom zijn alle experimenten met het actieve materiaal hier uitgevoerd met alleen inerte goudcontacten.
Elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) is een niet-destructieve methode voor het karakteriseren en oplossen van het capacitieve actuatormateriaal voor gebruik. De impedantiespectra in figuur 4C en 4D werden vastgelegd met behulp van een potentiostat/galvanostat/FRA in twee-elektrode configuratie. Het monster (20 mm x 4 mm x 150 μm) werd tussen gouden contacten geplaatst, de ingangssignaalamplitude tijdens de impedantiemeting werd ingesteld op 5 mVRMS en frequenties van 200 kHz tot 0,01 Hz werden gescand. Figuur 4C en 4D tonen de typische impedantiespectra van actuatoren met respectievelijk hoge (~300 Ω cm2)of met een lage (~5 Ω cm2)interne weerstand. De spectra werden geregistreerd met behulp van een monster met het droge PTFE-membraan en een ander monster met respectievelijk het geweekte membraan. Een hogere ionische geleidbaarheid door het materiaal komt meestal overeen met snellere actuatoren en mogelijk ook meer verplaatsing op dezelfde actuatiefrequentie (zie figuur 4B),als alle andere parameters (bijvoorbeeld mechanische parameters) ongewijzigd blijven en het materiaal in het algemeen actief is.
Het niet-destructieve karakter van EIS is vooral gunstig voor de detectie van kortsluiting in het composiet. In het geval van actuatoren die volgens het huidige protocol zijn voorbereid, worden kortsluitingen meestal veroorzaakt door stroomcollectorpuin aan de zijkanten van de actuator (zie snijinstructies in stap 4.1.1) of meer zelden door een defect membraan (bijvoorbeeld wanneer niet alle gaatjes in het met textiel versterkte membraan worden bedekt, zoals aangegeven in punt 1.5). Een weerstand (in dit geval kortsluiting) zou worden gepresenteerd als een stip op de Nyquist plot van een EIS-experiment. Het observeren van een dergelijke respons is een bepaalde indicator van een defect monster (zie figuren 4C en 4D voor referentiespectra van functionele capacitieve actuatoren). Kortgesloten monsters zouden meestal niet werken. Bovendien zouden deze meestal permanent nutteloos worden gemaakt als gevolg van weerstandsverhitting en het daaruit voortvloeiende smelten van de composiet wanneer het wordt geprobeerd te bedienen.
In zijn functionele vorm is dit materiaal een dubbele laagcondensator die buigbewegingen laat zien als reactie op het opladen en ontladen van de dubbele laag dankzij specifiek op maat gemaakte elektrolyten die worden gebruikt bij de fabricage ervan. Cyclische voltammetrie (CV) is een veel gebruikte techniek in de elektrochemie om verschillende systemen te bestuderen. Tijdens een CV-experiment wordt het potentieel van de werkende elektrode (in dit geval een van de elektroden van de actuator) varieerde ten opzichte van een tegenelektrode (hier de andere elektrode van de actuator) met constante snelheid (bijvoorbeeld 800 mV/s tussen ±2 V) en wordt de huidige respons van het systeem geregistreerd met behulp van een potentiostat. Een typische actuele respons van het capacitieve laminaat wordt gepresenteerd in figuur 4E. De huidige respons van het monster met het geweekte PTFE-membraan (in donkergrijs in 4E)lijkt op die van een ideale condensator: de stroom is niet afhankelijk van het elektrodepotentieel en bij het omkeren van het potentieel wordt de huidige richting (en dus het teken) onmiddellijk gewijzigd, wat resulteert in een (bijna) rechthoekig voltammogram. De huidige respons van het monster met een aanvankelijk droog membraan (in roze in 4E)vertoont minder ideaal condensatorgedrag bij deze scansnelheid, waarschijnlijk als gevolg van een hoge interne weerstand van het materiaal (zoals ook blijkt uit EIS in figuur 4C). Toch tonen beide monsters het capacitieve karakter van het composiet. Aan de andere kant, lichtgrijze lijnen in figuur 4E tonen mogelijk gedrag van defecte monsters (bijvoorbeeld kortsluiting degenen) die nauw zou volgen van de wet ohm's.
De prestaties van verschillende functionele actuatoren worden gepresenteerd in figuur 4A en figuur 4B. Figuur 4A toont snapshots uit de video waarin een thermogevormde actuator met 5 vingers een willekeurig gevormd object vasthoudt, vasthoudt en vrijgeeft in reactie op spanningsstappen. Eenvoudigere geometrieën worden meestal gebruikt voor de materiaalkarakteriseringsdoeleinden. Figuur 4B benadrukt bijvoorbeeld de droge en geweekte ptfe-membraanactuatoren de maximale buighoek28,30 in reactie op driehoekige spanningssignalen tussen ±2 V. Om verschillende actuatormaterialen te karakteriseren, werden monsters (4 mm x 20 mm x 150 μm) tussen gouden klemmen in de cantileverpositie geplaatst (waardoor 18 mm vrije lengte voor actuatie overblijft) en de buighoek werd opgenomen met behulp van een videocamera. Als alternatief is de beweging van een enkel punt langs de actuator (bijvoorbeeld 5 mm van de contacten) meestal in de tijd gecontroleerd en gebruikt in stamverschilberekeningen31,32. Videoverwerking, hoewel ingewikkelder, geeft meer informatie over het hele buigprofiel van het monster en maakt het ook mogelijk om de prestaties later opnieuw te analyseren, als een dergelijke behoefte zich zou voordoen. Het 0,1 Hz-punt in figuur 4B komt overeen met exact hetzelfde signaal als in de cyclische voltammetrie-experimenten van figuur 4E, zowel in termen van actuatiespanning als actuatiefrequentie. Met behulp van hetzelfde signaal voor karakterisering en bediening kunnen we bijvoorbeeld conclusies trekken over de capacitieve aard van het materiaal en over de stabiliteit en het gebrek aan elektrochemische reacties tijdens de bediening.
Elektrochemische methoden (EIS, CV), visualisatie van de actuatorstructuur in het (meestal) micrometerniveau (SEM) en verplaatsingskarakterisering zijn de meest voorkomende methoden voor het karakteriseren van ionische actuatoren en het evalueren van het succes van het fabricageproces. Er worden echter vaak aangepaste experimenten ontwikkeld om de prestaties van de actuator in een meer specifieke toepassing te evalueren om toepassingsspecifieke prestaties te evalueren (bijvoorbeeld de mogelijkheid om een belasting te dragen).
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig3.jpg"> Figuur 3: Beeldvorming. Scanning elektronenmicrografen met het zeer poreuze PTFE-membraan(A)en een doorsnede van een actuator gemaakt met hetzelfde membraan zonder delaminatie(C). SEM-micrograaf met een doorsnede van een met textiel versterkte actuator(D)en een optische foto van de overeenkomstige zijdeversterking (B). Monsters voor SEM dwarsdoorsnedes werden eerst cryo-gebroken met behulp van vloeibare stikstof, gemonteerd op een metalen monster houder en vervolgens gesputterd met 5 nm goud voor een betere definitie met behulp van een sputter coater. Een tafelblad scanning elektronenmicroscoop werd gebruikt voor beeldvorming op 15 keV versnellingspanning. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig4.jpg"> Figuur 4: Representatieve resultaten van de actuator. aA) Spanningstreden en overeenkomstige afbeeldingen van de vijfarmige grijper die een voorwerp met willekeurige vorm vastgrijpt (actuator zonder contacten 21 mg; polystyreenschuimbelasting 17,8 mg); bB) totale buighoek van 4 mm x 20 mm x 150 μm PTFE-gebaseerde actuatoren geklemd tussen goudcontacten (18 mm vrije lengte) in reactie op een driehoekig actuatiesignaal (±2 V) bij verschillende actuatiefrequenties (n=3, foutbalken vertegenwoordigen één standaardafwijking van het gemiddelde); (C en D) typische elektrochemische impedantiespectra van de elektromechanisch actieve capacitieve laminaat (5 mVRMS-signaalamplitude); ( E) typische cyclische voltammetrie van de capacitieve laminaat (driehoekige actuatiesignaal met behulp van 800 mV/s scansnelheid die overeenkomt met de 0,1 Hz punten in B). Grijze lijnen op de cyclische voltmogrammen zijn voor vergelijking en tonen respons van een potentiële defecte actuator (in wezen een weerstand) die de wet van de Ohm op de voet zou volgen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig5.jpg"> Figuur 5: Spindrogen tijdens membraanvoorbereiding. (A) schema's van de setup(B)afbeelding van de setup met een frame met versterking bevestigd. Tijdens het drogen van de rotatie stuurt de centrifugale kracht het resterende oplosmiddel in de membraanlaag naar de rand van het frame. Dit kan gunstig zijn voor het versnellen van het droogproces. In het geval van volledig natte membranen kan dit echter leiden tot het verlies van actief materiaal (polymeer en ionische vloeistof) en moet daarom worden vermeden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators at JoVE.com

Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Dit artikel beschrijft een snel en eenvoudig productieproces van ionische elektromechanisch actieve composietmaterialen voor actuatoren in biomedische, biomimetische en zachte robotica toepassingen. De belangrijkste fabricagestappen, hun belang voor de uiteindelijke eigenschappen van de actuatoren en enkele van de belangrijkste karakteriseringstechnieken worden in detail beschreven.

Fabricage van carbon-based Ionische elektromechanisch actieve zachte actuatoren

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

Dit protocol beschrijft de fabricage van op koolstof gebaseerd elektromechanisch actief materiaal voor biomedische en zachte roboticatoepassingen. Het belangrijkste voordeel van deze methode is dat het de reproduceerbare fabricage van ionische actuatoren ook in grote hoeveelheden mogelijk maakt. Het bekijken van deze video moet u een goed begrip geven over hoe u ionische actuatoren fabriceren en gebruiken.Het protocol is verdeeld in vijf stappen. Eerst wordt een iongeleidend membraan voorbereid. Het wordt dan bedekt met op koolstof gebaseerde elektroden waaraan de goudstroomcollectoren zijn bevestigd.Na het snijden van het monster in vorm, is het materiaal klaar voor gebruik. Om te beginnen, kiezen tussen een tri-PTFE membraan, hetzelfde membraan gedrenkt in elektrolyt, of een textiel versterkt membraan. Elke optie resulteert in een functionele actuator.Zie de tekst voor hulp bij de selectie. Het materiaal wordt bereid met behulp van een frame. Neem een hoge porositeit PTFE vel en plaats het over het frame.Maak het vel op het frame strak en bevestig het. Zorg ervoor dat u het droge membraan niet beschadigt. Zodra het membraan klaar is, ga naar de elektrode fabricage stap.Neem een grote petrischaal en plaats een hoge porositeit PTFE vel binnen. Voeg een overmaat aan ionische vloeistof toe. Zorg ervoor dat het hele vel bedekt is.Zodra het membraan voldoende is gedrenkt, verwijder de overtollige met behulp van een pipet. Plaats het membraan voorzichtig tussen filterpapier om de resterende ionische vloeistof te verwijderen die niet door het PTFE-blad is geabsorbeerd. Herhaal dit proces totdat het blad semitransparant is, maar niet nat.Strak en bevestig het doorweekte membraan op een plastic frame. Zorg ervoor dat u rimpels en plooien te voorkomen. Nu het membraan klaar is, ga je door naar de elektrodefabricagestap.Neem een stof met fijne inerte vezels en bevestig het aan een frame. Zorg ervoor dat het strak. Trim overtollige stof met een schaar.Verwijder voorzichtig eventuele losse vezels. Bedek de stof tijdens het werken onder de rookkap met een dunne laag membraanoplossing. Zie de tekst voor het exacte recept.Laat de eerste laag volledig drogen. Gebruik eerst het hittepistool en later het hittekanon samen met een speciale setup om het droogproces te versnellen. Vermijd het gebruik van een te hoge spinsnelheid op een volledig nat membraan, omdat dit kan leiden tot verlies van actief materiaal.Zie de tekst voor meer informatie. Inspecteer het membraan tegen backlight op gaatjes. Blijf coatinglagen aanbrengen totdat een defectvrij membraan is verkregen.Voeg met uiterste voorzichtigheid de volgende membraanlagen toe. Breng dunne lagen mogelijk en ga nooit over reeds natte oppervlakken twee keer. Breng lagen aan beide zijden aan.Op deze manier blijft de versterking in het midden van de composiet. Laat de ene laag drogen voordat u een andere toevoegt. Zodra een defect-vrij membraan is verkregen, controleer de dikte met behulp van een dikte meter.Momenteel is het 54 micrometer. Los in een verzegelde kolf het polymeer in het oplosmiddel op door 's nachts bij 70 graden Celsius te roeren met behulp van een magnetische roerder en een temperatuurgecontroleerde hete plaat. Zie de tekst voor het exacte recept.In een andere kolf, weeg het koolstofpoeder, voeg ionische vloeistof, oplosmiddel, en een magnetische roerstaaf. Sluit de kolf af en meng. Zodra de koolstofsuspensie is gehomogeniseerd en het polymeer is opgelost, bevestig of verwijder de magnetische kraal en giet de polymeeroplossing in de koolstofsuspensie.Gebruik 10 milliliter oplosmiddel om polymeerresten uit de kolfwanden te verwijderen en toe te voegen aan de koolstofsuspensie. Homogenize de schorsing met behulp van een ultrasone sonde. Daarna is de ophanging klaar voor gebruik of opslag.Vul het reservoir van een spuitpistool of luchtborstel met aceton. Test eerst de stroom op een stuk papier. Zorg ervoor dat de luchtborstel schoon is en vrij van verstoppingen.Tijdens de opslag kan de suspensie in een gel veranderen. Meng het in een gesloten vat op 70 graden Celsius om een vloeistof te verkrijgen. Vul het reservoir van de luchtborstel met de elektrodesuspensie.Test eerst de suspensiestroom op een stuk papier. Neem het voorbereide membraan. Begin met het verplaatsen van het spuitpistool voordat je begint te spuiten.Houd het pistool bewegen in rechte slagen. Laat de ene kant drogen voordat u begint te spuiten op de andere. Spray tot de gewenste dikte is bereikt.Verwijder het materiaal voorzichtig uit het frame. Als het textiel versterkte membraan werd gebruikt, dan lijn de snede met de vezels. Snijd een stuk van vier bij drie centimeter met behulp van een metalen liniaal en een scalpel.Deze snijgrootte is het handigst voor kleine tot middelgrote batches. Het is echter niet van cruciaal belang voor het verkrijgen van werkende actuatoren. Neem een metalen buis of pijp en bevestig de snede stuk op.Probeer slechts ongeveer een millimeter van het actuatormateriaal te overlappen met tape. Neem een vel fijn goud op transferpapier en snijd het in vier bij vier centimeter stukken. Leg een van hen op een tissuepapier.Spray de composiet met een dunne laag lijm. Zie de tekst voor het exacte recept. Snel de berg de luchtborstel rechtop.Rol de pijp over het bladgoud terwijl de lijm nog nat is. Er is geen overmatige druk nodig om te rollen. Verwijder de overdracht en rol opnieuw over het tissuepapier om ervoor te zorgen dat het goud goed is bevestigd.Zet het materiaal te drogen. Zodra u droog bent, moet u de tape voorzichtig verwijderen om het materiaal uit de pijp te laten komen. Maak de pijp schoon met aceton.Bevestig het materiaal op de pijp, goud gecoate kant naar de pijp. Herhaal vervolgens ook de stappen om de huidige collector aan de andere kant te bevestigen. Let op de zijkanten die waren bedekt met tape.Uitgesneden rechthoeken of complexere vormen. Een monster van vier bij 20 millimeter is goed voor karakterisering. Lijn de monsterlengte uit met een gebogen richting.De zachte grijper moet eerst thermoformed zijn. Plaats de actuator in een glazen flacon mal om de grijper thermoform in vorm. Zodra de actuator is in de mal, plaats ze zowel in een oven of gebruik het infrarood licht.De grijper is geplaatst tussen gouden contacten, de gouden kant naar het actieve materiaal. Spanningsstappen worden toegepast om het laadvermogen te verwerken. Het openen van de grijper.De grijper sluiten. Het laadvermogen met de hand opheffen. De grip testen.En tenslotte, het vrijgeven van de lading. Kelvin clips worden gebruikt voor karakterisering. Plaats de actuator tussen klemmen en controleer de hoek alfa met behulp van een videocamera.In het geval van driehoekssignaal is de huidige reactie van een functionele actuator capacitief. Terwijl de reactie van een defecte steekproef de Wet van Ohm op de voet volgt en weerstand biedt. Gebruik scanning elektronenmicroscopie om de actuatorstructuur te beschrijven.De monsters zijn bevroren gebroken met behulp van vloeibare stikstof om schoon gesneden dwarsdoorsnedes te verkrijgen. Let op: Sluit nooit het deksel van een vloeibare stikstofcontainer. De drukopbouw kan ernstige verwondingen veroorzaken.Bevries eerst de actuator gedurende een paar minuten in vloeibare stikstof. Gebruik vervolgens twee sets koele pincet om het bevroren monster te breken. Textielversterkte actuatoren breken misschien niet eens in bevroren toestand.Vries een scalpel samen met de actuator en hak het bevroren monster in twee stukken. Dit is een dwarsdoorsnede van een PTFE actuator met twee koolstofelektroden, gescheiden door een PTFE membraan, die de actuator vormt. Het belangrijkste punt van deze methode is het opnemen van een inerte versterking zoals PTFE in de membraanlaag.Dit vereenvoudigt het productieproces aanzienlijk en maakt het mogelijk om de actieve materialen op grote schaal reproduceerbaar te produceren. Onze methode toont een veelbelovende route naar industriële fabricage van ionische actuatoren.

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Fabricage van plaatsgebonden complexe oxiden

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Real-Time DC-dynamische Biasing Methode voor het omschakelen Tijd Verbetering Ernstig Underdamped Fringing-veld elektrostatische MEMS Aandrijvingen

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

Fabricageproces van siliconen gebaseerde diëlektrische Elastomer Actuators

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

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

Free-form Light Actuators - Fabricage en Controle van de Aandrijving in microscopische schaal

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

Experimentele implementatie van een nieuwe methode van de samengestelde Fabrication: bloot blote vezels op het samengestelde oppervlak door de zachte laag-methode

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

Fabricage van zachte pneumatische netwerk Actuators met schuine Chambers

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

Bestuderen van grote Amplitude oscillerende Shear reactie van zachte materialen

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

Controle van de stroomsnelheden van 3D-actieve vloeistoffen op basis van microtubulus met behulp van temperatuur

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

Snelle fabricage van dunne zachte pneumatische aandrijvingen en robots

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

Modellering en experimentele analyse van de coaxiale motor-pompassemblage met één as in elektrohydrostatische actuatoren

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