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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Die Autoren danken Ron Hovenkamp und Marcel Mulder von Philips Research für die hilfreichen Gespräche. Diese Arbeit wurde teilweise durch die institutionelle Forschungsförderung IUT (IUT 20-24) des estnischen Ministeriums für Bildung und Forschung unterstützt. durch das Stipendium des estnischen Forschungsrats (PUT1696), durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung, durch das Programm Mobilitas Pluss (Grant No MOBTP47), durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Marie-Skodowska-Curie-Zuschussvereinbarung Nr. 793377 (BIOACT) und durch das Projekt IMPACT-MII , ein Innovationsprojekt des EIT Health. EIT Health wird vom EIT, einem Gremium der Europäischen Union, unterstützt.

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Die Autoren haben nichts zu verraten.

Wir präsentierten eine einfache, schnelle, wiederholbare und vielseitige Fertigungsmethode für die ionische elektromechanisch aktive Verbundvorbereitung für verschiedene Aktuatoranwendungen und mit geringfügigen Modifikationen auch für die Energiespeicherung, die Erntevon 33 oder die Erfassungvon 34 Anwendungen. Das aktuelle Verfahren konzentriert sich auf Membranen mit einer integralen passiven und chemisch inerten Komponente (z.B. ein textilverstärktes Polymernetz oder eine hochporöse Teflonmembran, siehe auch Abbildung 3), da solche Membranen den Aktuatorvorbereitungsprozess auch in großem Maßstab erheblich vereinfachen. Darüber hinaus haben die resultierenden Membranen ein geringeres Risiko von Schwellungen und Knicken durch Lösungsmittel (oder Elektrolyt) in der Elektrodensuspension oder kurzschluss-Hotspot-Bildung im Vergleich zu vielen anderen gängigen Aktuatorherstellungsmethoden und -materialien.
Die entscheidenden Schritte in der kapazitiven Aktuatorlaminatvorbereitung sind die Membranvorbereitung, Elektrodenherstellung, Stromkollektorbefestigung, Schneiden und Kontaktieren (Abbildung 2). Jeder dieser Schritte lässt Raum für Anpassung und Leistungsoptimierung, aber auch für Fehler. Im folgenden Abschnitt werden wir die vorteilhaften Änderungen und Fehlerbehebungsstrategien dieser Fertigungsmethode ausführlicher erläutern. Ein Hochleistungsverbund ergibt sich aus dem Zusammenspiel mehrerer Schlüsselaspekte, die im Auge behalten werden müssen: ausreichende elektronische Leitfähigkeit entlang der Elektrode (Goldstromkollektor zu Kohlenstoffelektroden hinzufügen); ausreichende ionische Leitfähigkeit durch die Membran (verwenden Sie eine dünne poröse Membran und eine ausreichende Menge an niederviskosem Elektrolyt, reduzieren Sie das Risiko für ungünstige Wechselwirkungen zwischen der Membran und dem Elektrolyten durch verwendung eines inerten Polymernetzwerks); hohe Oberfläche der Elektrode (wählen Sie einen geeigneten Kohlenstofftyp); maßgeschneiderte Elektrolyte, die zu einer asymmetrischen Schwellung/Kontraktion der Elektroden führen (wählen Sie einen geeigneten Elektrolyten); mechanische Parameter (Youngs Modul der Komponenten). Diese Hauptaspekte eines Hochleistungs-Carbon-basierten Aktuators werden auch in Abbildung 1Bhervorgehoben.
Eine Hochleistungsmembran ist der zentrale Teil dieses Verbundwerkstoffs. Es hat zwei Aufgaben: Verhindern Elektronenleitfähigkeit (Kurzschlüsse) zwischen den Elektroden bei gleichzeitiger Aktivierung einer hohen ionischen Leitfähigkeit. Änderungen an der Membran können mehreren Zwecken dienen, z. B. der Werkzeugintegration, wie sie von Must et al.24 eingeführt wurde, oder der Hinzufügung neuer Eigenschaften (z. B. Biokompatibilität, biologische Abbaubarkeit oder verschiedene mechanische Eigenschaften). Das aktuelle Herstellungsverfahren könnte modifiziert werden, um andere Polymere und Elektrolyte in der Membran zu verwenden, um dem aktiven Laminat neue Eigenschaften einzuleiten. Wie die hier für die textilverstärkten Aktuatoren eingeführte Lösungsmittelauswahlstrategie ist es ratsam, für die anschließende Elektrodenherstellung im Vergleich zur Membranaufbereitung ärmere Lösungsmittel auszuwählen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Membran auch nach Zugabe von Elektroden funktionsfähig und intakt bleibt.
Die Betätigungsleistung des Endverbunds wird durch das ausgewählte Elektrodenmaterial (Kohlenstoff), den Elektrolyten und eventuell deren Verträglichkeit untereinander beeinflusst. Dieses Protokoll führt die Herstellung von kohlenstoffhaltigen kapazitiven Laminaten unter Verwendung von Borkarbid-Kohlenstoff und 1-Ethyl-3-Methylimidazolium trifluormethansulfonat ([EMIM][OTf]) ionischer Flüssigkeit ein. Das gleiche Protokoll ist jedoch an andere hochspezifische Kohlenstoffmaterialien an der Oberfläche anpassbar, wie z. B. Hartmetallkohlenstoffe aus anderen Quellen (z. B. TiC35, SiC oder Mo2C36), Kohlenstoffnanoröhren8,37, Kohlenstoffaerogel38 oder Graphen39, und andere, wie kürzlich ebenfalls40überprüft. Darüber hinaus könnten auch andere Elektrolyten in der Aktuatorpräparation verwendet werden. Die Gewinnung eines funktionellen Verbundwerkstoffs ist nicht auf die in diesem Protokoll vorgestellten Kohlenstoff- und Ionenflüssigkeitstypen beschränkt. Die Kohlenstoffpartikelgröße, ihre mögliche Agglomeration in der Elektrodensuspension und die Suspensionsviskosität sind wichtigere Parameter für den Sprühbeschichtungsprozess.
Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von elektromechanisch aktivem Laminatmaterial mit reproduzierbaren Eigenschaften in großen Mengen. Die Miniaturisierung von Aktuatoren aus diesem Material erfolgt hauptsächlich durch hochpräzises Schneiden (z.B. Abbildung 3C). Alternative Methoden zur Herstellung feiner Strukturen, wie Maskierung und Musterung sind während der Sprühbeschichtung41möglich. Darüber hinaus können millimetergroße Strukturen auch im nachfolgenden Goldstromkollektor-Befestigungsschritt gemustert werden. Im Submillimeter-Maßstab könnte dies jedoch ziemlich schwierig werden. Andere Arten von Aktuatoren oder kohlenstoffbasierten Aktuator ohne Goldstromkollektoren könnten einfacher zuzubereiten sein, wenn die musterbaren Merkmale in der Mikrometerskala sein müssen.
Intrinsisch weiche Aktuatoren, die auf elektrische Reize reagieren, haben viele Vorteile dank ihrer weichen und konformen Natur, leisen Betrieb und niedrigen erforderlichen Spannungspegel. Das aktuelle Protokoll zeigt, wie man solches Material in größeren Mengen und mit hoher Chargen-zu-Charge- und Reproduzierbarkeit produziert, ohne die Betätigungsleistung zu beeinträchtigen. Änderungen an der derzeitigen Methode zur Integration biofreundlicherer und möglicherweise auch biologisch abbaubarer Komponenten, die neben erfolgreichen Gesamtverkapselungsansätzen auch den Betrieb in der Nähe oder im Inneren lebender Organismen ermöglichen würden, sowie die Integration des eingeführten Wirkstoffs in weiche Roboter- oder Biomedizingeräte sind für die Zukunft vorgesehen.

Ionische elektromechanisch aktive Polymer- oder Polymerverbundwerkstoffe sind an sich weiche und konforme Materialien, die zunehmend Aninteresse an verschiedenen Softrobotik- und biomimetischen Anwendungen erhalten (z. B. als Aktoren, Greifer oder bioinspirierte Roboter1,2). Diese Art von Material reagiert auf elektrische Signale im Bereich von ein paar Volt, was sie einfach mit konventioneller Elektronik und Stromquellen3zu integrieren macht. Es stehen viele verschiedene Arten von ionischen Aktuator-Basismaterialien zur Verfügung, wie an anderer Stelle ausführlich beschrieben4, und wieder vor kurzem5. Darüber hinaus wurde in letzter Zeit besonders betont, dass die Entwicklung weicher Robotergeräte sehr eng mit der Entwicklung fortschrittlicher Fertigungsverfahren für relevante Wirkstoffe und Komponenten zusammenhängen wird6. Darüber hinaus wurde die Bedeutung eines effizienten und etablierten Prozessablaufs bei der Herstellung reproduzierbarer Aktuatoren, die das Potenzial haben, vom Labor in die Industrie zu wechseln, auch in früheren methodenbasierten Studien hervorgehoben7.
In den letzten Jahrzehnten wurden viele Herstellungsverfahren für die Herstellung von Aktuatoren entwickelt oder angepasst (z.B. Schicht-für-Schicht-Guss8 und Warmpressen9,10, Imprägnierungsreduktion11, Lackierung12,13, oder Sputtern und anschließende elektrochemische Synthese14,15, Inkjet-Druck16 und Spin-Coating17); einige Methoden sind universeller, und einige sind in Bezug auf die Materialauswahl einschränkender als andere. Viele der derzeitigen Methoden sind jedoch recht kompliziert und/oder besser für die Laborfertigung geeignet. Das aktuelle Protokoll konzentriert sich auf eine schnelle, wiederholbare, zuverlässige, automatisierbare und skalierbare Aktuatorfertigungsmethode zur Herstellung aktiver Laminate mit geringer Batch-to-Batch- und Within-Batch-Variabilität und einer langen Aktuatorlebensdauer18. Diese Methode kann von Materialwissenschaftlern verwendet werden, um Hochleistungs-Aktoren für die nächste Generation von bioinspirierten Anwendungen zu entwickeln. Darüber hinaus gibt die Verfolgung dieser Methode ohne Modifikationen Soft-Robotik-Ingenieuren und Lehrern ein aktives Material für die Entwicklung und das Prototyping neuer Geräte oder für den Unterricht von Soft-Robotik-Konzepten.
Ionische elektromechanisch aktive Polymer- oder Polymeraktuatoren bestehen typischerweise aus zwei- oder dreilagigen laminaren Verbundwerkstoffen und biegen sich als Reaktion auf elektrische Stimulation im Bereich von wenigen Volt(Abbildung 1). Diese Biegebewegung wird durch die Schwellungs- und Kontraktionseffekte in den Elektrodenschichten verursacht, und sie wird in der Regel entweder durch faradaische (Redox)-Reaktionen auf die Elektroden (z.B. bei elektromechanisch aktiven Polymeren (EAPs) wie den leitfähigen Polymeren) oder durch kapazitive Aufladung der Doppelschicht (z.B. bei kohlenstoffbasierten Polymerelektroden, bei denen das Polymer nur als Bindemittel wirken könnte) mitgebracht. In diesem Protokoll (Abbildung 2) konzentrieren wir uns auf Letzteres; Wir zeigen die Herstellung eines elektromechanisch aktiven Verbundwerkstoffs, der aus zwei hochspezifischen oberflächennahen elektronisch leitfähigen Kohlenstoffelektroden besteht, die durch eine inerte ionenleitende Membran getrennt sind, die die Bewegung von Kationen und Anionen zwischen den Elektroden erleichtert – eine Konfiguration, die den Superkondensatoren sehr ähnlich ist. Diese Art von Aktuator biegt als Reaktion auf kapazitive stoltive Auf-/Entladung und die daraus resultierende Schwellung/Kontraktion der Elektroden wird typischerweise auf die Unterschiede im Volumen und der Beweglichkeit von Kationen und Anionen des Elektrolyten8,10,19zurückgeführt. Sofern nicht oberflächenfunktionalisierter Kohlenstoff als aktives Material verwendet wird oder der kapazitive Verbundwerkstoff außerhalb des elektrochemischen Stabilitätspotentialfensters des Elektrolyten verwendet wird, sind bei dieser Art von Elektroden keine faradalen Reaktionen zu erwarten20. Der Mangel an faradaischen Reaktionen ist der Hauptbeitrag zu den vorteilhaft langen Lebensdauern dieses Aktormaterials (d.h. Tausende von Zyklen in Luft8,18 für verschiedene kapazitive Aktuatoren gezeigt).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig1v4.jpg"> Abbildung 1: Die Struktur des kohlenstoffbasierten Aktuators im neutralen (A) und im betätigten Zustand (B). (B) hebt auch die wichtigsten Merkmale hervor, die die Leistung eines ionischen Aktuators bestimmen. Anmerkung: Die Figur wird nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Die Ionengröße wurde übertrieben, um den am häufigsten zitierten Betätigungsmechanismus zu veranschaulichen, der bei einer inerten Membran vorherrscht, die die Beweglichkeit sowohl von Anionen als auch von Kationen des Elektrolyten (z. B. ionischer Flüssigkeit) ermöglicht. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig1v4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
Die Gewinnung einer funktionellen Membran, die während des gesamten Herstellungsprozesses intakt bleibt, ist einer der wichtigsten Schritte bei der erfolgreichen Aktuatorvorbereitung. Eine Hochleistungsmembran für einen Aktor ist so dünn wie möglich und ermöglicht die ionische Leitfähigkeit zwischen den Elektroden bei gleichzeitiger Blockierung jeglicher elektronischer Leitfähigkeit. Die ionische Leitfähigkeit in der Membran kann durch die Kombination des Elektrolyten mit einem inerten porösen Netzwerk (z. B. dem in diesem Protokoll verwendeten Ansatz) oder durch die Verwendung spezifischer Polymere mit kovalent gebundenen ionisierten Einheiten oder anderen Gruppen entstehen, die Wechselwirkungen mit dem Elektrolyten ermöglichen. Der erste Ansatz wird hier aufgrund seiner Einfachheit bevorzugt, während speziell zugeschnittene Wechselwirkungen zwischen Elektrolyt und Polymernetzwerk ebenfalls Vorteile haben könnten, wenn ungünstige Wechselwirkungen (z.B. Blockierung oder Verlangsamung der Ionenbewegung aufgrund von Wechselwirkungen) ausgeschlossen werden können. Die große Auswahl an ionomeren oder anderweitig aktiven Membranen für elektromechanisch aktive Aktoren und deren daraus resultierende Naktuierungsmechanismen wurden kürzlich21überprüft. Die Membranauswahl spielt neben der Elektrodenauswahl eine entscheidende Rolle für die Leistung, Lebensdauer und den Betätigungsmechanismus des Aktuators. Das aktuelle Protokoll konzentriert sich hauptsächlich auf inerte Membranen, die die poröse Struktur für die Ionenmigration liefern (siehe Abbildung 1), obwohl sich Teile des Protokolls (z. B. Membranoption C) auch für aktive Membranen als vorteilhaft erweisen könnten.
Neben der Membranmaterialauswahl spielt auch die Herstellungsmethode eine wichtige Rolle bei der Erzielung eines funktionellen Separators für den Verbund. Früher verwendete Gussmembranen neigen dazu, während des späteren Heißpressschritts zu schmelzen und können daher Kurzschluss-Hotspotsbilden 22. Darüber hinaus neigen kommerzielle ionomere Membranen (z. B. Nafion) dazu, als Reaktion auf Lösungsmittel, die in den späteren Herstellungsschritten12verwendet werden, deutlich anzuschwellen und zu schnallen, und einige Polymere (z. B. Cellulose23) sind dafür bekannt, sich in einigen ionischen Flüssigkeiten bis zu einem gewissen Grad aufzulösen, was möglicherweise Probleme mit der Wiederholbarkeit des Herstellungsprozesses verursacht und zu einer schlechten Gleichmäßigkeit der Elektroden führt. Daher konzentriert sich dieses Protokoll auf Aktoren mit einer integralen passiven und chemisch inerten Komponente in der Membran (z.B. Glasfaser oder Seide mit PVDF oder PTFE), die das Anschwellen und Knicken des Verbunds in späteren Fertigungsschritten oder die Bildung von Kurzschluss-Hotspots verhindert. Darüber hinaus vereinfacht die Zugabe eines inerten und passiven Bauteils den Herstellungsprozess erheblich und ermöglicht größere Losgrößen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.
Die Aufnahme einer passiven Bewehrung in die Membran wurde zuerst von Kaasik et aleingeführt. 18 um die oben genannten Probleme bei der Herstellung von Aktuatoren anzugehen. Die Einbeziehung einer gewebten Textilverstärkung (siehe auch Abbildung 3B und 3D) führt die Möglichkeit ein, Werkzeuge in den aktiven Verbund24 zu integrieren oder intelligente Textilien zu entwickeln18. Daher ist die Membranoption C im Protokoll für solche Anwendungen besser geeignet. Bei miniaturisierten Aktuatoren (im Submillimeter-Niveau) wird das Passiv-Aktiv-Komponentenverhältnis in der Membran jedoch immer ungünstiger und die Aufnahme einer geordneten Textilverstärkung könnte die Leistung des Aktuators und die Proben-zu-Probe-Wiederholbarkeit negativ beeinflussen. Darüber hinaus kann die Richtung der Bewehrung (entlang oder diagonal in Bezug auf die Biegerichtung) die Leistung komplexer geformter Aktuatoren unerwartet beeinträchtigen. Daher wäre eine weniger geordnete und stark poröse Inertstruktur für miniaturisierte Aktuatoren und komplexere Aktorformen vorteilhafter.
Polytetrafluorethylen (PTFE, auch unter dem Handelsnamen Teflon bekannt) ist eines der bisher inertesten Polymere. Es ist in der Regel hoch hydrophobe, aber oberflächenbehandelte Versionen, die hydrophil gerendert werden, die in der Aktuatorfertigung leichter einsetzbar sind. Abbildung 3A zeigt die zufällige Struktur einer inerten hydrophilen PTFE-Filtrationsmembran, die in diesem Protokoll zur Aktuatorvorbereitung verwendet wurde. Neben der Gleichmäßigkeit dieses Materials in alle Richtungen, die für das Ausschneiden von miniaturisierten Aktuatoren oder komplexen Formen von Vorteil ist, vereinfacht die Verwendung einer kommerziellen Filtrationsmembran mit kontrollierter Porosität den Aktuatorherstellungsprozess weiter, da jegliche Membranvorbereitung nahezu überflüssig wird. Darüber hinaus sind Membrandicken bis zu 30 m in der zuvor beschriebenen textilverstärkten Konfiguration extrem schwer zu erhalten. Daher sollten PTFE-basierte Aktuatorfertigungsmethoden (Optionen A und B) aus diesem Protokoll in den meisten Fällen bevorzugt werden, da Option A schneller ist, aber Aktuatoren, die mit Option B hergestellt wurden, größere Stämme zeigen (in dem in Abbildung 4Bdargestellten Frequenzbereich). Der im repräsentativen Ergebnisbereich eingeführte weiche Greifer wurde auch mit der PTFE-Membran hergestellt, die zuerst in Elektrolyt eingeweicht wurde.
Nachdem eine funktionelle Membran vorbereitet wurde, wird das Protokoll mit der Elektrodenvorbereitung und stromkollektorenbefestigung fortgesetzt. Die kohlenstoffbasierten Elektroden werden mittels Sprühbeschichtung zugesetzt – ein industriell etabliertes Verfahren, das eine hohe Kontrolle über die resultierende Elektrodenschichtdicke ermöglicht. Mit Sprühbeschichtung werden gleichmäßigere Elektroden hergestellt als z.B. das Gießverfahren (oder möglicherweise auch andere flüssige Verfahren), bei denen bekannt ist, dass die Sedimentation von Kohlenstoffpartikeln während der Filmtrocknung25 auftritt. Darüber hinaus beruht ein weiteres Merkmal der vorgestellten Herstellungsmethode auf der Lösemittelauswahlstrategie, die bei textilverstärkten Membranen am wichtigsten ist. Genauer gesagt löst 4-Methyl-2-Pentanon (das Lösungsmittel in der Elektrodensuspensions- und Leimlösung) nicht die inerten Membranverstärkungen oder PVDF auf, die in der Membranlösung der textilverstärkten Membran verwendet werden. Dadurch wird das Risiko, kurzschluss-Hotspots im Verbundwerkstoff während der Sprühbeschichtung zu schaffen, weiter reduziert.
Das kapazitive Laminat ist bereits nach dem Einsatz von Kohlenstoffelektroden aktiv. Mit dem Einsatz von Goldstromsammlern werden jedoch eine Größenordnung schneller aktuatoren26 erzielt. Ein weiterer wichtiger Schritt im Protokoll ist die Befestigung von Stromkollektoren, während sich die entsprechende Elektrode im gestreckten Zustand befindet (d.h. der Verbund verbundisch ist). Daher wird im neutralen Flachzustand des Aktuators das Blattgold in der Submillimeter-Ebene eingeknickt. Dieser Puffer-durch-Knick-27-Ansatz ermöglicht höhere Verformungen ohne Bruch, als es sonst bei einem feinen (100 nm) Blech möglich wäre.27
Alle Schritte zur Herstellung von Aktuatoren (Membranvorbereitung, Elektrodenspritzen, Stromkollektoraufsatz) sind ebenfalls in Abbildung 2zusammengefasst. Für die Performance-Charakterisierungsdemonstration haben wir einen Greifer vorbereitet, der ein zufällig geformtes Objekt mit einer zufälligen Oberflächentextur konform erfasst, hält und loslässt. Einfachere Geometrien, wie z.B. rechteckige Proben mit 1:4 oder höher Seitenverhältnis (z.B. 4 mm bis 20 mm oder sogar 1 mm bis 20 mm28), aus dem aktiven Material herausgeschnitten und in der Auslegerposition geklemmt sind, sind ebenfalls sehr typisch für Materialcharakterisierung oder andere Anwendungen, die das Biegeverhalten verwenden.
Der Artikel endet mit einer kurzen Einführung in die typischen ionisch elektromechanisch aktiven kapazitiven Materialcharakterisierungs- und Fehlerbehebungstechniken mit der einfacheren rechteckigen Aktuatorgeometrie. Wir zeigen, wie gängige elektrochemische Charakterisierungstechniken wie zyklische Voltammetrie (CV) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) verwendet werden, um das Aktormaterial genauer zu charakterisieren und zu beheben. Die Visualisierung des Kompositininininims im Submillimeter-Niveau erfolgt mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM), für die wir die Kryo-Fracturing-Technik zur Vorbereitung der Proben verwenden. Die Polymerität des Materials macht es schwierig, klare Querschnitte mit nur regelmäßigem Schneiden zu erhalten. Das Brechen von gefrorenen Proben führt jedoch zu genau definierten Querschnitten.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig2v4.jpg"> Abbildung 2: Übersicht über den Herstellungsprozess. Die wichtigsten Schritte werden hervorgehoben. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig2v4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</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 aktive kapazitive Laminate sind eine Art intelligentes Material, das sich als Reaktion auf elektrische Stimulation bewegt. Aufgrund der weichen, konformen und biomimetischen Natur dieser Verformung haben Aktuatoren aus dem Laminat ein wachsendes Interesse an weichen Robotik und (bio-)medizinischen Anwendungen erhalten. Es sind jedoch Methoden zur einfachen Herstellung des aktiven Materials in großen (auch industriellen) Mengen und mit einer hohen Charge-zu-Charge- und Reproduzierbarkeit erforderlich, um das Wissen vom Labor in die Industrie zu übertragen. Dieses Protokoll beschreibt ein einfaches, industriell skalierbares und reproduzierbares Verfahren zur Herstellung von ionischen kohlenstoffbasierten elektromechanisch aktiven kapazitiven Laminaten und der Herstellung von Aktoren daraus. Die Aufnahme einer passiven und chemisch inerten (unlöslichen) Mittelschicht (z. B. ein textilverstärktes Polymernetz oder mikroporöses Teflon) unterscheidet das Verfahren von anderen. Das Protokoll ist in fünf Schritte unterteilt: Membranvorbereitung, Elektrodenvorbereitung, Stromkollektorbefestigung, Schneiden und Formen sowie Betätigung. Das Folgen des Protokolls führt zu einem aktiven Material, das z.B. ein zufällig geformtes Objekt, wie im Artikel gezeigt, konform erfassen und halten kann.

Der primäre Endpunkt, um zwischen einem erfolgreichen und einem fehlgeschlagenen Experiment zu unterscheiden, ist die Reaktion des Materials auf elektrische Signale, nachdem es an eine Stromversorgung kontaktiert wurde. In der Elektrotechnik ist Kupfer ein bekanntes Material für die Kontaktherstellung. Kupfer ist aber auch elektrochemisch aktiv und daher nicht für den Kontakt mit einem hier eingeführten Ionensystem geeignet. Die Verwendung von Kupferkontakten kann zu Kurzschlüssen aufgrund der Dendritenbildung durch den Verbund verbundischen Verbund führen. Darüber hinaus ist es bei der Materialcharakterisierung unmöglich, zwischen Strömen (und Betätigung) aus dem elektroaktiven Material und der aus der elektrochemischen Aktivität von Kupfer29stammenden Ströme zu unterscheiden. Wir haben bereits gezeigt, dass eine Betätigung – wenn auch unzuverlässig – ohne zusätzliches aktives Material (d.h. ohne die kohlenstoffbasierten oder leitfähigen Polymerelektroden) bei nassen Ionomermembranen (z.B. Nafion) und nur Bei Kupferklemmen29möglich ist. Daher wurden alle Experimente mit dem aktiven Material hier nur mit inerten Goldkontakten durchgeführt.
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine zerstörungsfreie Methode zur Charakterisierung und Fehlerbehebung des kapazitiven Aktuatormaterials vor dem Gebrauch. Die Impedanzspektren in Abbildung 4C und 4D wurden mit einem Potentiostat/Galvanostat/FRA in Zwei-Elektroden-Konfiguration erfasst. Die Probe (20 mm x 4 mm x 150 m) wurde zwischen Goldkontakten platziert, die Eingangssignalamplitude während der Impedanzmessung auf 5 mVRMS eingestellt und Frequenzen von 200 kHz bis 0,01 Hz gescannt. Abbildung 4C und 4D zeigen die typischen Impedanzspektren von Aktoren mit hohem (ca. 300 x cm2) bzw. niedrigem (ca. 5 x cm2) Innenwiderstand. Die Spektren wurden mit einer Probe mit der trockenen PTFE-Membran bzw. einer weiteren Probe mit der durchnässten Membran aufgezeichnet. Eine höhere ionische Leitfähigkeit durch das Material entspricht tendenziell schnelleren Aktuatoren und möglicherweise auch mehr Verschiebung bei gleicher Betätigungsfrequenz (siehe Abbildung 4B), wenn alle anderen Parameter (z.B. mechanische Parameter) unverändert bleiben und das Material im Allgemeinen aktiv ist.
Die zerstörungsfreie Natur von EIS ist besonders vorteilhaft für die Detektion von Kurzschlüssen im Verbundwerkstoff. Bei Aktuatoren, die nach dem aktuellen Protokoll vorbereitet werden, werden Kurzschlüsse am häufigsten durch Stromkollektorablagerungen an den Seiten des Aktuators verursacht (siehe Schnittanleitung in Schritt 4.1.1) oder seltener durch eine fehlerhafte Membran (z. B. wenn nicht alle Löcher in der textilverstärkten Membran gemäß Abschnitt 1.5 abgedeckt werden). Ein Widerstand (in diesem Fall ein Kurzschluss) würde als Punkt auf der Nyquist-Plot eines EIS-Experiments dargestellt werden. Die Beobachtung einer solchen Reaktion ist ein bestimmter Indikator für eine fehlerhafte Probe (siehe Abbildungen 4C und 4D für Referenzspektren funktioneller kapazitiver Aktuatoren). Kurzschlussproben würden in der Regel nicht betätigt. Darüber hinaus würden diese meist durch widerstandslose Erwärmung und das daraus resultierende Schmelzen des Verbundwerkstoffs bei betätigungsbedingter Betätigung dauerhaft nutzlos gemacht.
In seiner funktionalen Form ist dieses Material ein doppelschichtigem Kondensator, der biegt, wie die Doppelschicht dank speziell zugeschnittener Elektrolyte, die bei der Herstellung verwendet werden, auf das Laden und Entladen der Doppelschicht reagiert. Die zyklische Voltammetrie (CV) ist eine weit verbreitete Technik in der Elektrochemie, um verschiedene Systeme zu untersuchen. Während eines CV-Experiments wird das Potential der Arbeitselektrode (in diesem Fall einer der Motoriatorselektroden) in Bezug auf eine Gegenelektrode (hier die andere Elektrode des Aktors) mit konstanter Geschwindigkeit (z.B. 800 mV/s zwischen 2 V) variiert und die Stromantwort des Systems mit einem Potentiostat aufgezeichnet. Eine typische Stromantwort aus dem kapazitiven Laminat ist in Abbildung 4Edargestellt. Die aktuelle Reaktion der Probe mit der durchnässten PTFE-Membran (in dunkelgrau in 4E)ähnelt der eines idealen Kondensators: Der Strom hängt nicht vom Elektrodenpotential ab und beim Umkehren des Potentials wird die Aktuelle Richtung (und damit ihr Vorzeichen) (fast) sofort geändert, was zu einem (fast) rechteckigen Voltammogramm führt. Die aktuelle Reaktion der Probe mit einer zunächst trockenen Membran (in rosa in 4E) zeigt bei dieser Scanrate ein weniger ideales Kondensatorverhalten, wahrscheinlich aufgrund des hohen Innenwiderstands des Materials (wie auch eIS in Abbildung 4Cbelegt). Dennoch zeigen beide Proben die kapazitive Natur des Komposit. Andererseits zeigen hellgraue Linien in Abbildung 4E mögliches Verhalten fehlerhafter Proben (z. B. Kurzschlussproben), die dem Ohm-Gesetz genau folgen würden.
Die Leistung verschiedener Funktionsaktuatoren ist in Abbildung 4A und Abbildung 4Bdargestellt. Abbildung 4A zeigt Schnappschüsse aus dem Video, bei denen ein thermogeformter 5-Finger-Aktuator ein zufällig geformtes Objekt als Reaktion auf Spannungsschritte hält, hält und freigibt. Einfachere Geometrien werden in der Regel für die Materialcharakterisierung verwendet. In Abbildung 4B wird beispielsweise der maximale Biegewinkel der trockenen und durchnässten PTFE-Membranaktoren28,30 als Reaktion auf dreieckige Spannungssignale zwischen 2 V. Um verschiedene Aktuatormaterialien zu charakterisieren, wurden Proben (4 mm x 20 mm x 150 m) zwischen Goldklemmen in der Auslegerposition (wobei 18 mm freie Länge für die Betätigung übrig blieben) platziert und der Biegewinkel mit einer Videokamera aufgezeichnet. Alternativ wurde die Bewegung eines einzelnen Punktes entlang des Aktuators (z.B. 5 mm von den Kontakten) in der Regel zeitlich überwacht und in Dehnungsdifferenzberechnungen31,32verwendet. Die Videoverarbeitung ist zwar komplizierter, gibt aber mehr Informationen über das gesamte Biegeprofil der Probe und ermöglicht auch eine spätere Neuanalyse der Leistung, falls ein solcher Bedarf auftreten sollte. Der 0,1 Hz-Punkt in Abbildung 4B entspricht genau dem gleichen Signal wie bei den zyklischen Voltammetrieexperimenten von Abbildung 4E,sowohl in Bezug auf die Betätigungsspannung als auch auf die Betätigungsfrequenz. Mit dem gleichen Signal für Diecharakterisierung und Betätigung können wir beispielsweise Rückschlüsse auf die kapazitive Natur des Materials und über die Stabilität und den Mangel an elektrochemischen Reaktionen während der Betätigung ziehen.
Elektrochemische Methoden (EIS, CV), die Visualisierung der Aktuatorstruktur in der (typischerweise) Mikrometerebene (SEM) und die Verschiebungscharakterisierung sind die gebräuchlichsten Methoden zur Charakterisierung von Ionenaktuatoren und zur Bewertung des Erfolgs des Herstellungsprozesses. Benutzerdefinierte Experimente zur Bewertung der Leistung des Aktuators in einer spezifischeren Anwendung werden jedoch häufig entwickelt, um die anwendungsspezifische Leistung zu bewerten (z. B. die Fähigkeit, eine Last zu tragen).
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig3.jpg"> Abbildung 3: Bildgebung. Rasterelektronenmikroskopie, die die hochporöse PTFE-Membran (A) und einen Querschnitt eines Aktors zeigt, der mit derselben Membran hergestellt wird und keine Delamination zeigt (C). SEM-Mikrographik mit einem Querschnitt eines textilverstärkten Aktuators (D) und einer optischen Fotografie der entsprechenden Seidenverstärkung (B). Proben für SEM-Querschnitte wurden zunächst mit flüssigem Stickstoff kryogebrochen, an einem Metallprobenhalter befestigt und dann mit 5 nm Gold zur besseren Definition mit einem Sputterlacker gesputtert. Ein Tabletop-Rasterelektronenmikroskop wurde für die Bildgebung mit 15 keV Beschleunigungsspannung verwendet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig4.jpg"> Abbildung 4: Repräsentative Ergebnisse des Aktuators. (A) Spannungsschritte und entsprechende Bilder des Fünfarmgreifers, der ein Objekt mit zufälliger Form konform erfasst (Aktor ohne Kontakte 21 mg; Polystyrolschaumlast 17,8 mg); (B) Gesamtbiegewinkel von 4 mm x 20 mm x 150 mm PTFE-basierter Aktuatoren, die als Reaktion auf ein dreieckiges Betätigungssignal (2 V) bei unterschiedlichen Betätigungsfrequenzen zwischen Goldkontakten (18 mm freie Länge) eingeklemmt sind (n=3, Fehlerbalken stellen eine Standardabweichung des Mittelwerts dar); (C und D) typische elektrochemische Impedanzspektren der elektromechanisch aktiven kapazitiven Laminate (5 mVRMS-Signalamplitude); (E) typische zyklische Voltammetrie der kapazitiven Laminate (dreieckiges Betätigungssignal mit 800 mV/s Scangeschwindigkeit, die den 0,1 Hz-Punkten in Bentspricht). Graue Linien auf den zyklischen Voltammogrammen dienen zum Vergleich und zeigen die Reaktion eines potenziellen fehlerhaften Aktuators (im Wesentlichen ein Widerstand), der dem Ohm-Gesetz genau folgen würde. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61216/61216fig5.jpg"> Abbildung 5: Spintrocknung während der Membranvorbereitung. (A) Schaltpläne des Setups (B) Abbild des Setups mit einem Rahmen mit angehängter Bewehrung. Beim Spinntrocknen lenkt die Zentrifugalkraft das Restlösungsmittel in der Membranschicht zum Rand des Rahmens. Dies kann für die Beschleunigung des Trocknungsprozesses von Vorteil sein. Bei vollständig nassen Membranen kann dies jedoch zum Verlust von aktivem Material (Polymer und ionische Flüssigkeit) führen und sollte daher vermieden werden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61216/61216fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

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Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators

Dieser Artikel beschreibt einen schnellen und einfachen Herstellungsprozess von ionisch elektromechanisch aktiven Verbundwerkstoffen für Aktoren in biomedizinischen, biomimetischen und weichen Robotikanwendungen. Die wichtigsten Fertigungsschritte, ihre Bedeutung für die endgültigen Eigenschaften der Aktuatoren und einige der wichtigsten Charakterisierungstechniken werden ausführlich beschrieben.

Herstellung von kohlenstoffbasierten ionischen Elektromechanischen Soft Actuatoren

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

Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung von kohlenstoffbasiertem elektromechanisch aktivem Material für biomedizinische und weiche Robotikanwendungen. Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass sie die reproduzierbare Fertigung von ionenatonischen Aktuatoren auch in großen Mengen ermöglicht. Wenn Sie sich dieses Video ansehen, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie ionische Aktuatoren fabridienen und verwenden können.Das Protokoll ist in fünf Schritte unterteilt. Zunächst wird eine ionenleitende Membran hergestellt. Es wird dann mit Kohlenstoff-basierten Elektroden bedeckt, an denen die Goldstromkollektoren befestigt sind.Nach dem Schneiden der Probe in Form, ist das Material gebrauchsfertig. Wählen Sie zunächst zwischen einer Tri-PTFE-Membran, der gleichen Membran, die in Elektrolyt eingeweicht ist, oder einer textilverstärkten Membran. Jede Option führt zu einem funktionalen Aktuator.Im Text finden Sie Hilfe zur Auswahl. Das Material wird mit einem Rahmen hergestellt. Nehmen Sie ein ptFE-Blatt mit hoher Porosität und legen Sie es über den Rahmen.Taut und befestigen Sie das Blatt auf dem Rahmen. Achten Sie darauf, die trockene Membran nicht zu beschädigen. Sobald die Membran fertig ist, springen Sie zum Elektrodenfertigungsschritt über.Nehmen Sie eine große Petrischale und legen Sie ein hochporosity PTFE-Blatt hinein. Fügen Sie einen Überschuss an ionischer Flüssigkeit hinzu. Stellen Sie sicher, dass das gesamte Blatt abgedeckt ist.Sobald die Membran ausreichend eingeweicht ist, entfernen Sie den Überschuss mit einer Pipette. Legen Sie die Membran vorsichtig zwischen Filterpapiere, um alle verbleibenden ionischen Flüssigkeiten zu entfernen, die nicht von der PTFE-Platte absorbiert wurden. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das Blatt halbtransparent, aber nicht nass ist.Taut und befestigen Sie die durchnässte Membran auf einem Kunststoffrahmen. Achten Sie darauf, Falten und Falten zu vermeiden. Nun, da die Membran fertig ist, springen Sie vor dem Elektrodenfertigungsschritt.Nehmen Sie einen Stoff mit feinen inerten Fasern und befestigen Sie ihn an einem Rahmen. Achten Sie darauf, es gut zu straffen. Schneiden Sie überschüssiges Gewebe mit einer Schere.Entfernen Sie vorsichtig lose Fasern. Während der Arbeit unter der Dunstabzugshaube, bedecken Sie das Gewebe mit einer dünnen Schicht Membranlösung. Siehe den Text für das genaue Rezept.Lassen Sie die erste Schicht vollständig trocknen. Verwenden Sie zunächst die Wärmepistole und später die Wärmepistole zusammen mit einem speziellen Setup, um den Trocknungsprozess zu beschleunigen. Vermeiden Sie die Verwendung einer zu hohen Spinrate auf einer vollständig nassen Membran, da dies zum Verlust von aktivem Material führen kann.Weitere Informationen finden Sie im Text. Prüfen Sie die Membran gegen Hintergrundbeleuchtung auf Lochlöcher. Legen Sie Beschichtungsschichten auf, bis eine defektfreie Membran erhalten ist.Fügen Sie nachfolgende Membranschichten mit äußerster Vorsicht hinzu. Dünne Schichten wie möglich auftragen und nie zweimal über nasse Oberflächen gehen. Tragen Sie Ebenen auf beiden Seiten auf.Auf diese Weise bleibt die Verstärkung in der Mitte des Verbunds. Lassen Sie eine Schicht trocknen, bevor Sie eine andere hinzufügen. Sobald eine defektfreie Membran erhalten ist, überprüfen Sie ihre Dicke mit einem Dickenmessgerät.Derzeit sind es 54 Mikrometer. In einem versiegelten Kolben das Polymer im Lösungsmittel auflösen, indem man über Nacht bei 70 Grad Celsius mit einem Magnetrührer und einer temperaturgeregelten Kochplatte rührt. Siehe den Text für das genaue Rezept.In einen anderen Kolben, wiegen Sie das Kohlenstoffpulver, fügen Sie ionische Flüssigkeit, Lösungsmittel und eine magnetische Rührstange. Den Kolben versiegeln und mischen. Sobald sich die Kohlenstoffsuspension homogenisiert hat und das Polymer sich gelöst hat, fixieren oder entfernen Sie die magnetische Perle und gießen Sie die Polymerlösung in die Kohlenstoffsuspension.Verwenden Sie 10 Milliliter Lösungsmittel, um Polymerrückstände von den Kolbenwänden zu entfernen und in die Kohlenstoffsuspension einzubauen. Homogenisieren Sie die Suspension mit einer Ultraschallsonde. Danach ist die Suspension einsatzbereit oder lagerreif.Füllen Sie das Reservoir einer Spritzpistole oder Luftbürste mit Aceton. Testen Sie zuerst den Fluss auf einem Blatt Papier. Stellen Sie sicher, dass die Luftbürste sauber und frei von Verstopfungen ist.Während der Lagerung kann sich die Suspension in ein Gel verwandeln. Mischen Sie es in einem geschlossenen Gefäß bei 70 Grad Celsius, um eine Flüssigkeit zu erhalten. Füllen Sie das Reservoir der Luftbürste mit der Elektrodensuspension.Testen Sie zuerst den Federungsfluss auf einem Blatt Papier. Nehmen Sie die vorbereitete Membran. Beginnen Sie, die Spritzpistole zu bewegen, bevor Sie mit dem Sprühen beginnen.Halten Sie die Waffe in geraden Schlägen in Bewegung. Lassen Sie eine Seite trocknen, bevor Sie beginnen, auf die andere zu sprühen. Sprühen, bis die gewünschte Dicke erreicht ist.Entfernen Sie das Material vorsichtig aus dem Rahmen. Wenn die textilverstärkte Membran verwendet wurde, dann richten Sie den Schnitt mit den Fasern aus. Schneiden Sie ein vier mal drei Zentimeter großes Stück mit einem Metalllineal und einem Skalpell.Diese Schnittgröße ist am bequemsten für kleine bis mittlere Chargen. Es ist jedoch nicht entscheidend, arbeitstüdrungen zu erhalten. Nehmen Sie ein Metallrohr oder -rohr und fixieren Sie das geschnittene Stück darauf.Versuchen Sie, nur etwa einen Millimeter des Aktuatormaterials mit Klebeband zu überlappen. Nehmen Sie ein Blatt feingold auf Transferpapier und schneiden Sie es in vier mal vier Zentimeter Stücke. Legen Sie einen von ihnen auf ein Tissuepapier.Sprühen Sie den Verbund stofft mit einer dünnen Schicht Kleber. Siehe den Text für das genaue Rezept. Schnell die Lagerung der Luft bürsten aufrecht.Rollen Sie das Rohr über das Blattblatt, während der Kleber noch nass ist. Zum Walzen ist kein übermäßiger Druck erforderlich. Entfernen Sie den Transfer und rollen Sie das Tissuepapier erneut, um sicherzustellen, dass das Gold richtig befestigt ist.Legen Sie das Material zum Trocknen. Nach dem Trocknen das Band vorsichtig entfernen, um das Material aus dem Rohr zu lösen. Reinigen Sie das Rohr mit Aceton.Fixieren Sie das Material auf dem Rohr, goldbeschichtete Seite zum Rohr. Wiederholen Sie dann die Schritte, um den aktuellen Kollektor auch auf der anderen Seite anzuhängen. Beachten Sie die Seiten, die mit Klebeband bedeckt waren.Schneiden Sie Rechtecke oder komplexere Formen aus. Eine Vier mal 20-Millimeter-Probe eignet sich gut für die Charakterisierung. Richten Sie die Probenlänge an einer geschwungenen Richtung aus.Der weiche Greifer muss zuerst thermogeformt werden. Den Aktuator in eine Glas-Fläschigkeitsform geben, um den Greifer in Form zu bringen. Sobald sich der Aktuator im Inneren der Form befindet, legen Sie sie beide in einen Ofen oder verwenden Sie das Infrarotlicht.Der Greifer wird zwischen Goldkontakten platziert, die Goldseite zum aktiven Material. Spannungsschritte werden angewendet, um die Nutzlast zu verarbeiten. Öffnen des Greifers.Schließen des Greifers. Heben der Nutzlast von Hand. Testen des Griffs.Und schließlich, die Freigabe der Nutzlast. Kelvin-Clips werden für die Charakterisierung verwendet. Platzieren Sie den Aktuator zwischen den Klemmen und überwachen Sie den Winkel Alpha mit einer Videokamera.Bei Dreieckssignalen ist die aktuelle Reaktion eines Funktionsaktors kapazitiv. Während die Antwort einer fehlerhaften Probe dem Ohm-Gesetz genau folgt und widersprochen ist. Verwenden Sie die Rasterelektronenmikroskopie, um die Aktuatorstruktur zu beschreiben.Die Proben werden mit flüssigem Stickstoff eingefroren, um saubere Querschnitte zu erhalten. Achtung: Schließen Sie niemals den Deckel eines flüssigen Stickstoffbehälters. Der Druckaufbau kann zu schweren Verletzungen führen.Zuerst den Aktuator für ein paar Minuten in flüssigem Stickstoff einfrieren. Verwenden Sie dann zwei Sätze von kühlen Pinzetten, um die gefrorene Probe zu brechen. Textilverstärkte Aktuatoren könnten auch im gefrorenen Zustand nicht brechen.Ein Skalpell zusammen mit dem Aktuator einfrieren und die gefrorene Probe in zwei Stücke schneiden. Dies ist ein Querschnitt eines PTFE-Aktuators, der zwei Kohlenstoffelektroden zeigt, die durch eine PTFE-Membran getrennt sind und den Aktuator bilden. Der Kernpunkt dieser Methode ist die Aufnahme einer inerten Verstärkung wie PTFE in die Membranschicht.Dies vereinfacht den Herstellungsprozess erheblich und ermöglicht die reproduzierbare Herstellung der aktiven Materialien in großem Maßstab. Unsere Methode zeigt einen vielversprechenden Weg zur industriellen Fertigung von ionischen Aktuatoren.

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