Snelle fabricage van dunne zachte pneumatische aandrijvingen en robots
Summary
Dit protocol beschrijft een methode voor de snelle fabricage van zachte pneumatische aandrijvingen en robots met een dunne vormfactor. De fabricagemethode begint met laminering van thermoplastisch polyurethaan (TPU) vellen gevolgd door lasersnijden/lassen van een tweedimensionaal patroon om actuatoren en robots te vormen.
Abstract
Dit protocol beschrijft een methode voor de snelle fabricage van zachte pneumatische actuatoren en robots met een ultradunne vormfactor met behulp van een warmte pers en een lasersnijmachine. De methode begint met het lamineren van thermoplastische polyurethaan (TPU) vellen met behulp van een warmte pers voor 10 min bij de temperatuur van ~ 93 °C. Vervolgens worden de parameters van de lasersnijmachine geoptimaliseerd om een rechthoekige ballon met maximale burst-druk te produceren. Met behulp van de geoptimaliseerde parameters, de zachte actuators zijn laser gesneden/gelast drie keer opeenvolgend. Vervolgens wordt een doseernaald aan de actuator bevestigd, waardoor deze kan worden opgeblazen. Het effect van geometrische parameters op de afbuiging van de actuator wordt systematisch bestudeerd door de breedte en lengte van het kanaal te variëren. Tot slot wordt de prestatie van de actuator gekenmerkt door een optische camera en een vloeistof dispenser. Conventionele fabricagemethoden van zachte pneumatische aandrijvingen op basis van siliconen molding zijn tijdrovend (enkele uren). Ze resulteren ook in sterke maar omvangrijke actuatoren, die de toepassingen van de actuator beperkt. Bovendien is microfabricage van dunne pneumatische actuatoren zowel tijdrovend als duur. De voorgestelde productiemethode in het huidige werk lost deze problemen op door een snelle, eenvoudige en kosteneffectieve fabricagemethode van ultradunne pneumatische actuatoren te introduceren.
Introduction
Als een stap voorwaarts in de productie van zachte pneumatische actuatoren illustreert de voorgestelde methode een snelle fabricage van ultradunne (~ 70 μm) pneumatische actuatoren gemaakt van thermoplastisch polyurethaan (TPU)1. Deze actuatoren zijn vooral nuttig in toepassingen die vereisen dat de robots lichtgewicht en/of passen binnen kleine ruimtes. Dergelijke toepassingen kunnen worden voorgesteld om trans chirurgische manipulatoren, wearable actuatoren, Search and Rescue robots, en vliegen of zwemmen robots.
De conventionele productiemethode van dunne zachte pneumatische actuatoren, die is gebaseerd op siliconen molding, is tijdrovend (enkele uren) en zeer uitdagend vanwege de lage resolutie van de 3D gedrukte mallen en moeilijkheden bij het degraderen van dunne (minder dan 0,5 mm) actuatoren. In het bijzonder vereist de fabricage van dunne actuatoren de toepassing van gespecialiseerde gereedschappen en methoden2.
Microfabricage technieken kunnen worden gekozen voor het fabriceren van dunne actuatoren3,4,5,6,7. Als alternatief heeft Ikeuchi et al. dunne pneumatische aandrijvingen ontwikkeld met behulp van membraan micro-Embossing8. Deze methoden, hoewel effectief, vereisen dure tools en zijn tijdrovend. Zo hebben ze beperkte toepassingen.
Paek et al. toonde een eenvoudige methode voor de fabricage van kleinschalige zachte actuatoren met behulp van dip-coating van cilindrische sjablonen2. Hoewel effectief, er zijn twee problemen met wijdverbreide toepassing van deze methode: ten eerste is het niet eenvoudig om de dikte van de DIP-gecoate functies te controleren, en ten tweede is de toepassing ervan beperkt tot een beperkt aantal driedimensionale (3D) ontwerpen.
Peano actuatoren9,10 en Pouch Motors11,12 hebben compacte tweedimensionale (2D) ontwerpen die resulteren in dunne vormfactoren (d.w.z. grote gebieden met kleine dikte). Veale et al. gerapporteerde ontwikkeling van lineaire Peano actuatoren gemaakt van versterkte kunststof en textiel-siliconen composieten1,8. Niiyama et al. ontwikkelde Pouch motoren met behulp van thermoplastische films vervaardigd door hitte stampen en warmte tekening systemen11,12.
Hoewel het 2D-ontwerp van Peano-actuatoren en Pouch-motoren ze zeer dun maakt in hun niet-aangedreven toestand, breidt de Zero-volume kamer zich uit tot een relatief groot volume, waardoor hun toepassing voor gebruik in beperkte ruimten zoals trans therapieën of opsporings-en reddingsmissies1wordt beperkt. In tegenstelling tot deze ontwerpen, de voorgestelde zachte actuatoren in de huidige methode kan bedienen met relatief kleine stammen. Dus zelfs in de bediend staat bezetten ze relatief kleine ruimten1.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritieke stappen in de fabricage van de zachte actuatoren omvatten: i) het 2D CAD-ontwerp. Een goede 2D-indeling kan de vervorming van de actuator dicteren (bijvoorbeeld lineair, biaxiaal, buigen en rotatie beweging). II) lamineren van de TPU-lagen. De TPU-films zijn warmte geperst voordat lasersnijden om ervoor te zorgen dat de lagen plat en in conformaal contact overal. III) lasersnijden/lassen. Als de laatste stap, de gelamineerd TPU lagen zijn laser gesneden/gelast in zachte actuatoren.
Het succespercentage van het protocol kan een rendement van 100% opleveren (we hebben bijvoorbeeld 20 actuators tegelijk gemaakt). De primaire factor is de laminatie stap: om de beste resultaten te verkrijgen, moet de TPU zo veel mogelijk worden afgevlakt voordat het hitte persproces wordt uitgevoerd. Het onderzoeken van verschillende gebieden van de warmte pers plaat met een krachtsensor kan aantonen dat de drukverdeling niet uniform is. Niet-uniforme drukverdeling kan resulteren in onvolmaakte laminering van de TPU-vellen, wat op zijn beurt resulteert in onvolmaakte lasersnijden/lassen en lekkage. Als alternatief kan niet-uniforme warmteoverdracht als gevolg van kleine rimpels in de TPU-film tijdens het lasersnijden/lassen lekkage veroorzaken.
In vergelijking met de conventionele methoden heeft de voorgestelde methode verschillende voordelen, waaronder: i) eenvoudig 2D-ontwerp. Hoewel de huidige methode alleen 2D CAD-ontwerpen vereist om de actuatoren te lasersnijden/lassen (verschillende patronen zijn beschikbaar1), vereisen de conventionele fabricagemethoden op basis van siliconen gieten een 3D-matrijsontwerp. II) snelle fabricage. Fabricage tijd van CAD-ontwerp tot lamineren van TPU-lagen en lasersnijden/lassen kan in enkele minuten gebeuren, terwijl de conventionele fabricagemethode enkele uren in beslag zal nemen. Door de fabricage van zachte apparaten en zachte robots in één stap toe te staan, zonder assemblage, kunnen zachte robots en apparaten worden ontworpen met een combinatie van verschillende soorten actuatoren, en het CAD-model kan in één stap worden laser gesneden/gelast in het eindproduct zonder dat er een montage nodig is. Bijvoorbeeld, een zwem robot, bestaande uit vier poten die elk uit twee soorten buig actuatoren bestaan, is in slechts een paar minuten vervaardigd van een 2D CAD-ontwerp zonder dat er assemblage stappen nodig zijn, zoals eerder aangetoond1.
Als een toekomstige richting van dit werk, kunnen verschillende soorten thermoplastische materialen worden aangenomen voor de fabricage van de zachte actuatoren. Over het algemeen moeten deze materialen elastisch gedrag hebben om te worden gebruikt als actuatoren. Toepassing van stijvere thermoplastisch materiaal zal resulteren in een hogere burst-druk en een hogere blokkerende kracht van de actuatoren in vergelijking met die eerder gekarakteriseerd in figuur S6 van Moghadam et al.1, met krachten tot 0,1 N. Zo kan het de toepassing van de actuatoren uitbreiden tot gevallen waarin een hogere blokkerende kracht nodig is, zoals exoskelet suites.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken het Dalio-Instituut voor cardiovasculaire beeldvorming voor de financiering van dit werk.
Materials
| Force Sensor | Omega | KHLVA-102 | https://www.omega.co.uk/pptst/KHRA-KHLVA-KHA-SERIES.html |
| High Precision Dispensers Ultimus I | Nordson | http://www.nordsonefd.com/searchengines/google/en/AirPoweredDispensers/?gclid=CjwKCAjw36DpBRAYEiwAmVVDMPuZ50xXoyzK3gvnghCA7yZUfJg4o9V28yDHKjY5Gs159RJIcMk_choCJIgQAvD_BwE | |
| Laser Cutter VLS2.30 | Universal Laser System | https://www.ulsinc.com/products/platforms/vls2-30 | |
| PowerPress Heat Press | Power Heat Press | OX-A1 | https://www.howtoheatpress.com/power-press-15×15-heat-press-review/ |
| PTFE Thread Sealant tape | McMaster-Carr | 4934A11 | https://www.mcmaster.com/ptfe-tape |
| Stainless Steel Dispensing Needle | McMaster-Carr | 75165A754 | https://www.mcmaster.com/75165a754 |
| Super Glue Loctite 409 | Henkel | 229654 | https://www.henkel-adhesives.com/us/en/product/instant-adhesives/loctite_409.html |
| Thermoplastic polyurethane Airtech’s Stretchlon 200 | ACP Composites | v-11A | https://store.acpsales.com/products/3321/stretchlon-200-high-stretch-bag-film-60 |
| Universal Testing Systems | Instron | 5943 |
References
- Moghadam, A. A. A., et al. Laser Cutting as a Rapid Method for Fabricating Thin Soft Pneumatic Actuators and Robots. Soft Robotics. 5 (4), 443-451 (2018).
- Paek, J. W., Cho, I., Kim, J. Y. Microrobotic tentacles with spiral bending capability based on shape-engineered elastomeric microtubes. Scientific Reports. 5, (2015).
- Gorissen, B., et al. Flexible pneumatic twisting actuators and their application to tilting micromirrors. Sensors and Actuators A-Physical. 216, 426-431 (2014).
- Gorissen, B., De Volder, M., De Greef, A., Reynaerts, D. Theoretical and experimental analysis of pneumatic balloon microactuators. Sensors and Actuators A-Physical. 168 (1), 58-65 (2011).
- Jeong, O. C., Konishi, S. All PDMS pneumatic microfinger with bidirectional motion and its application. Journal of Microelectromechanical Systems. 15 (4), 896-903 (2006).
- Konishi, S., Shimomura, S., Tajima, S., Tabata, Y. Implementation of soft microfingers for a hMSC aggregate manipulation system. Microsystems & Nanoengineering. 2, (2016).
- Lu, Y. W., Kim, C. J. Microhand for biological applications. Applied Physics Letters. 89 (16), (2006).
- Ikeuchi, M., Ikuta, K. Development of Pressure-Driven Micro Active Catheter using Membrane Micro Emboss Following Excimer Laser Ablation (MeME-X) Process. 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , (2009).
- Sanan, S., Lynn, P. S., Griffith, S. T. Pneumatic Torsional Actuators for Inflatable Robots. Journal of Mechanisms and Robotics. 6 (3), 031003 (2014).
- Veale, A. J., Xie, S. Q., Anderson, I. A. Modeling the Peano fluidic muscle and the effects of its material properties on its static and dynamic behavior. Smart Materials and Structures. 25 (6), (2016).
- Niiyama, R., Rognon, C., Kuniyoshi, Y. Printable Pneumatic Artificial Muscles for Anatomy-based Humanoid Robots. 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids). , (2015).
- Niiyama, R., et al. Pouch Motors: Printable Soft Actuators Integrated with Computational Design. Soft Robotics. 2 (2), 59-70 (2015).
