تصنيع الاكتورات اللينة الفعالة الكهربية الفعالة من الكربون
Summary
تصف هذه المقالة عملية تصنيع سريعة وبسيطة للمواد المركبة النشطة الكهروميكانيكية الأيونية للآلات في تطبيقات الطب الحيوي والمحاكاة الحيوية والروبوتات الناعمة. يتم وصف خطوات التصنيع الرئيسية ، وأهميتها للخصائص النهائية للشركات المحركة ، وبعض تقنيات التوصيف الرئيسية بالتفصيل.
Abstract
الصفيحة الفعالة بالسعة الكهربائية الأيونية هي نوع من المواد الذكية التي تتحرك استجابة للتحفيز الكهربائي. نظرًا للطبيعة الناعمة والمتوافقة والمحاكاة الحيوية لهذا التشوه ، تلقت الآلات المصنوعة من صفح اهتماممتزايد بالروبوتات الناعمة والتطبيقات الطبية (الحيوية). ومع ذلك ، هناك حاجة إلى طرق لتصنيع المواد النشطة بسهولة بكميات كبيرة (حتى صناعية) ومع تكرار دفعة عالية إلى دفعة وداخل الدفعة لنقل المعرفة من المختبر إلى الصناعة. يصف هذا البروتوكول طريقة بسيطة وقابلة للتطوير صناعيًا وقابلة للاستنساخ لتصنيع التغليفات النشطة الكهروميكانيكية النشطة الأيونية وإعداد الأكتورات التي يتم تصنيعها. إن إدراج طبقة وسطى خاملة وخاملة كيميائياً (غير قابلة للذوبان) (مثل شبكة بوليمر معززة بالمنسوجات أو تفلون مسامي ة) يميز الطريقة عن غيرها. وينقسم البروتوكول إلى خمس خطوات: إعداد الغشاء، وإعداد القطب، مرفق جامع الحالي، وقطع وتشكيل، وactuation. بعد نتائج البروتوكول في مادة نشطة يمكن، على سبيل المثال، استيعاب والاحتفاظ كائن على شكل عشوائي كما هو موضح في المقالة.
Introduction
البوليمر الأيوني ة النشطة ميكانيكيا أو المركبات البوليمرية هي في جوهرها المواد الناعمة والمتوافقة التي تلقت اهتماما متزايدا في الروبوتات الناعمة المختلفة والتطبيقات الحيوية (على سبيل المثال، كآلات تشغيل، القابضين، أو الروبوتات المستوحاة بيولوجيا1،,2). يستجيب هذا النوع من المواد للإشارات الكهربائية في نطاق بضعة فولت ، مما يجعلها سهلة التكامل مع الإلكترونيات التقليدية ومصادر الطاقة3. تتوفر العديد من أنواع مختلفة من المواد الأساسية الأكتواتيور الأيونية ، كما هو موضح بالتفصيل في مكان آخر4، ومرة أخرى مؤخرًاجدًا 5. وعلاوة على ذلك، تم التأكيد بشكل خاص في الآونة الأخيرة على أن تطوير الأجهزة الروبوتية الناعمة سيكون وثيق الصلة بتطوير عمليات التصنيع المتقدمة للمواد والمكونات النشطة ذات الصلة6. وعلاوة على ذلك، تم تسليط الضوء أيضا ً في الدراسات السابقة القائمة على الأساليب7على أهمية تدفق العمليات الفعالة والراسخة في إعداد الآلات القابلة للاستنساخ التي لديها القدرة على الانتقال من المختبر إلى الصناعة.
على مدى العقود الماضية ، تم تطوير العديد من أساليب التصنيع أو تكييفها لإعداد الأكتورات (على سبيل المثال ، صب طبقة بطبقة8 والضغط الساخن9،10، التشريب – الحد11، اللوحة12،13، أو اللف والتوليف الكهروكيميائي اللاحق14،15، الطباعة النافثة للحبر16 والطلاء الدوراني17) ؛ بعض الأساليب هي أكثر عالمية ، وبعضها أكثر حدودًا من حيث اختيار المواد من غيرها. ومع ذلك ، فإن العديد من الأساليب الحالية معقدة إلى حد ما و / أو أكثر ملاءمة للتصنيع على نطاق المختبر. يركز البروتوكول الحالي على طريقة تصنيع الأكتوات سريعة وقابلة للتكرار وموثوقية وقابلة للتشغيل وقابلة للتطوير لإنتاج مغلفات نشطة مع تباين منخفض من دفعة إلى دفعة وتباين طويل للتشغيل18. ويمكن استخدام هذه الطريقة من قبل العلماء المواد لتطوير الأكتاتور عالية الأداء للجيل القادم من التطبيقات المستوحاة بيولوجيا. وعلاوة على ذلك، اتباع هذه الطريقة دون تعديلات يعطي مهندسي الروبوتات الناعمة والمعلمين مادة نشطة لتطوير والنماذج الأولية للأجهزة الجديدة، أو لتعليم مفاهيم الروبوتات الناعمة.
وعادة ما تكون مصنوعة البوليمر الحيوي الحيوي أو الأكترات البوليمرية من اثنين أو ثلاث طبقات من مركبات اللامنار والانحناء استجابة للتحفيز الكهربائي في نطاق بضعة فولت(الشكل 1). يحدث هذا الحركة الانحناء من قبل آثار التورم والانكماش في طبقات القطب، وعادة ما يتم إحضارها إما عن طريق ردود الفعل فاراداك (الأكسدة) على الأقطاب الكهربائية (على سبيل المثال، في حالة البوليمرات النشطة ميكانيكيا (EAPs) مثل البوليمرات الموصلة) أو عن طريق الشحن بالسعة من طبقة مزدوجة (على سبيل المثال، في أقطاب البوليمر القائم على الكربون، حيث البوليمر قد تعمل فقط كما الموثق). في هذا البروتوكول(الشكل 2)، ونحن نركز على هذا الأخير ؛ نعرض تصنيع مركب نشط ميكانيكيًا يتكون من اثنين من المساحة السطحية العالية المحددة إلكترونيًا الموصلة من الكربون والتي يفصل بينها غشاء موصل أيون خامل يسهل حركة الكوادات والأنيونات بين الأقطاب الكهربائية – وهو تكوين مشابه جدًا للمكثفات الفائقة. هذا النوع من الانحناءات الأكتيواتر استجابة للشحن بالسعة / التفريغ وتورم / تقلص الناتجة عن الأقطاب الكهربائية وعادة ما يعزى إلى الاختلافات في حجم وحركة التأنيات والأنيونات من المنحل بالكهرباء8،10،19. ما لم يتم استخدام الكربون سطح وظيفي كمادة نشطة أو مركب السعة يستخدم خارج نافذة الاستقرار الكهروكيميائي المحتملة من المنحل بالكهرباء، لا يتوقع أن تحدث ردود فعل فاراداك على هذا النوع من الأقطاب الكهربائية20. عدم وجود ردود فعل فاراداويك هو المساهم الرئيسي في أعمار طويلة مفيدة من هذه المادة المحرك (أي الآلاف من الدورات في الهواء8,18 يظهر لمختلف القدرات المحرك).
الشكل 1: بنية الأكتوات القائمة على الكربون في المحايد (أ) وفي الحالة الفاعلة (B). (ب)يسلط الضوء أيضا على الخصائص الرئيسية التي تحدد أداء الأكتوات الأيونية. ملاحظة: لا يتم رسم الرقم إلى مقياس. وقد تم المبالغة في حجم أيون لتوضيح آلية الأكتيان الأكثر شيوعا ً السائدة في حالة وجود غشاء خامل يمكّن من تنقل كل من الأنيونات والكوابات للإلكهار (على سبيل المثال، السائل الأيوني). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الحصول على غشاء وظيفي ة التي لا تزال سليمة طوال عملية التصنيع كله هي واحدة من الخطوات الرئيسية في إعداد الأكتواتر ناجحة. غشاء عالي الأداء للأكتوات رقيققدر الإمكان ويمكّن التوصيلية الأيونية بين الأقطاب الكهربائية مع منع أي توصيلإلكتروني. يمكن أن تنتج الموصلية الأيونية في الغشاء عن الجمع بين المنحل بالكهرباء مع شبكة مسامية خاملة (على سبيل المثال، النهج المستخدم في هذا البروتوكول) أو عن طريق استخدام بوليمرات محددة مع وحدات مؤينة المستعبدين covalently أو المجموعات الأخرى التي تمكن التفاعلات مع المنحل بالكهرباء. ويفضل النهج الأول هنا لبساطته ، في حين أن التفاعلات المصممة خصيصا بين المنحل بالكهرباء وشبكة البوليمر يمكن أن يكون لها أيضا مزايا ، إذا كان يمكن استبعاد التفاعلات غير المواتية (على سبيل المثال ، عرقلة أو إبطاء حركة الأيون بشكل كبير بسبب التفاعلات). وقد تم مؤخرا استعراض مجموعة واسعة من الأغشية الأيونوميريكية أو النشطة لالأكتورات21النشطة ميكانيكيا وآليات ها الناتجة عن ذلك. إن اختيار الغشاء، بالإضافة إلى اختيار الأقطاب الكهربائية، يلعب دوراً حاسماً في أداء الأكتواتوتور وعمره وآلية الأكتويشن. ويركز البروتوكول الحالي أساساً على الأغشية الخاملة التي توفر الهيكل المسامي لهجرة الأيون (كما هو مبين في الشكل 1)،على الرغم من أن أجزاء من البروتوكول (مثل الخيار الأغشية جيم) يمكن أن تكون مفيدة أيضاً للأغشية النشطة.
بالإضافة إلى اختيار المواد الغشائية ، وطريقة تصنيعها تلعب أيضا دورا هاما في الحصول على فاصل وظيفي للمركب. الأغشية المدلى بها المستخدمة سابقا تميل إلى الذوبان خلال الخطوة الساخنة الملحة في وقت لاحق، وبالتالي قد تشكل النقاط الساخنة الدائرة القصيرة22. وعلاوة على ذلك، فإن الأغشية الأيونوميريكية التجارية (مثل النفيون) تميل إلى الانتفاخ ومشبك بشكل كبير استجابة للمذيبات المستخدمة في خطوات التصنيع اللاحقة12، ومن المعروف أن بعض البوليمرات (على سبيل المثال ، السليلوز23)تذوب إلى حد ما في بعض السوائل الأيونية ، مما قد يسبب مشاكل مع تكرار عملية التصنيع ويؤدي إلى ضعف توحيد الأقطاب الكهربائية. لذلك ، يركز هذا البروتوكول على الأكتياتورات ذات المكون السلبي والخامل كيميائيًا في الغشاء (على سبيل المثال ، الألياف الزجاجية أو الحرير مع PVDF أو PTFE) الذي يوقف المركب من التورم والالتواء في خطوات التصنيع اللاحقة أو من تشكيل النقاط الساخنة للدوائر القصيرة. وعلاوة على ذلك، فإن إضافة عنصر خامل وسلبي يبسط عملية التصنيع بشكل كبير ويمكّن أحجام دفعات أكبر مقارنة بالطرق التقليدية.
تم تقديم إدراج التعزيز السلبي في الغشاء لأول مرة من قبل Kaasikوآخرون. 18 لمعالجة المشاكل المذكورة أعلاه في عملية التصنيع الأكتواتر. إدراج تعزيز النسيج المنسوجة (انظر أيضا الشكل 3B و 3D)ويدخل كذلك القدرة على دمج الأدوات في مركب نشط24 أو لتطوير المنسوجات الذكية18. لذلك ، فإن الخيار الغشائي C في البروتوكول هو أكثر ملاءمة لمثل هذه التطبيقات. ومع ذلك ، في حالة الأكتوات المصغرة (في مستوى دون ملليمتر) ، تصبح نسبة المكون السلبي إلى النشط في الغشاء غير مواتية أكثر وأكثر ، وقد يبدأ إدراج تعزيز النسيج المنظم في التأثير سلبًا على أداء الأكتواتور وتكرار العينة إلى العينة. وعلاوة على ذلك، فإن اتجاه التعزيز (على طول أو قطريا فيما يتعلق اتجاه الانحناء) قد تؤثر على أداء الأكتورات على شكل أكثر تعقيدا بشكل غير متوقع. لذلك ، فإن بنية خاملة أقل ترتيبًا ومسامية للغاية ستكون أكثر فائدة للأجهزة المصغرة وأشكال الأكتوات الأكثر تعقيدًا.
البوليترافلوروإيثيلين (PTFE، تعرف أيضا تحت الاسم التجاري تفلون) هي واحدة من البوليمرات الأكثر خاملة تعرف حتى الآن. وعادة ما يكون من الكاره للماء للغاية، ولكن الإصدارات المعالجة بالسطح التي يتم تقديمها هيدروفيليك موجودة، والتي هي أكثر سهولة في استخدام التصنيع actuator. يوضح الشكل 3A البنية العشوائية لغشاء ترشيح PTFE الهيدروفيلي الخام الذي تم استخدامه في هذا البروتوكول لإعداد الأكتواتر. بالإضافة إلى توحيد هذه المواد في جميع الاتجاهات التي هي مفيدة لقطع الاكتواعات المصغرة أو الأشكال المعقدة، وذلك باستخدام غشاء الترشيح التجاري مع المسامية الخاضعة للرقابة يبسط عملية تصنيع الأكتواتر عن طريق القضاء تقريبا على الحاجة إلى أي إعداد الغشاء. وعلاوة على ذلك، يصعب للغاية الحصول على سماكات الأغشية التي تصل إلى 30 ميكرومتر في التكوين المعزز للمنسوجات الذي سبق وصفه. لذلك ، ينبغي تفضيل أساليب تصنيع الأكتيوات المستندة إلى PTFE (الخياران A و B) من هذا البروتوكول في معظم الحالات ، مع الأخذ في الاعتبار أن الخيار A أسرع ، ولكن المستخدمين الذين تم استخدام الخيار B يظهرون سلالات أكبر (في نطاق التردد المعروض في الشكل 4B). كما تم إعداد القابض الناعم الذي تم تقديمه في قسم النتائج التمثيلية باستخدام غشاء PTFE المنقوع لأول مرة في المنحل بالكهرباء.
بعد أن تم إعداد غشاء وظيفي ، يستمر البروتوكول مع إعداد القطب والتعلق الحالي بجامع الطوابع. تتم إضافة الأقطاب الكهربائية المستندة إلى الكربون باستخدام طلاء الرش – وهو إجراء تم إنشاؤه صناعيًا يتيح التحكم العالي في سمك طبقة القطب الناتج. يتم إنتاج أقطاب كهربائية أكثر اتساقًا مع طلاء الرش مقارنة ، على سبيل المثال ، بطريقة الصب (أو ربما أيضًا طرق سائلة أخرى) حيث من المعروف حدوث ترسيب جزيئات الكربون أثناء تجفيف الفيلم25. وعلاوة على ذلك، فإن إحدى السمات الأخرى لطريقة التصنيع المعروضة تعتمد في استراتيجية اختيار المذيبات الأكثر أهمية في حالة الأغشية المسلحة بالمنسوجات. بشكل أكثر دقة ، لا يذوب 4-methyl-2-pentanone (المذيب في تعليق القطب الكهربائي وحل الغراء) تعزيزات الغشاء الخامل أو PVDF المستخدمة في محلول الغشاء للغشاء المقوى بالمنسوجات. لذلك ، يتم تقليل خطر إنشاء نقاط ساخنة قصيرة الدائرة في المركب أثناء طلاء الرش.
صفح السعة نشطة بالفعل بعد تطبيق أقطاب الكربون. ومع ذلك، يتم الحصول على ترتيب من حجم أسرع الأكتوات26 مع تطبيق جامعي الذهب الحالي. وهناك خطوة أخرى مهمة في البروتوكول هو مرفق جامعي الحالية في حين أن القطب المقابلة في حالة امتدت (أي، يتم عازمة المركب). لذلك ، في الحالة المسطحة المحايدة للأكتوات ، سيتم ربط ورقة الذهب في مستوى submillimeter. هذا التخزين المؤقت عن طريق التواء27 النهج تمكن تشوهات أعلى دون كسر مما سيكون ممكنا خلاف ذلك لغرامة (~ 100 نانومتر) ورقة معدنية.
كما تم تلخيص جميع خطوات التصنيع الأكتواتر (إعداد الغشاء ، رش القطب ، مرفق جامع الحالي) في الشكل 2. للأداء توصيف العرض التوضيحي، قمنا بإعداد القابض الذي هو استيعاب متوافق، عقد والإفراج عن كائن على شكل عشوائي مع نسيج سطح عشوائي. هندسات أبسط، مثل عينات مستطيلة مع 1:4 أو أعلى نسبة العرض إلى الارتفاع (على سبيل المثال، 4 ملم إلى 20 ملم أو حتى 1 ملم إلى 20 ملم28)قطع من المواد النشطة وفرضت في موقف cantilever هي أيضا نموذجية جدا لتوصيف المواد أو غيرها من التطبيقات التي تستخدم سلوك الانحناء من نوع.
تنتهي المقالة بمقدمة موجزة في توصيف المواد الفعالة الكهربية الأيونية النموذجية وتقنيات استكشاف الأخطاء وإصلاحها باستخدام هندسة الأكتوات البسيطة المستطيلة. نعرض كيفية استخدام تقنيات التوصيف الكهروكيميائية الشائعة مثل قياس فولتامميس دوري (CV) ومطياف المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) لتوصيف المواد الأكتوائية واستكشافها وإصلاحها بمزيد من التفصيل. يتم تصور المركب في مستوى دون ملليمتر باستخدام المجهر الإلكتروني المسح الضوئي (SEM) ، والذي نستخدم تقنية التكسير بالتبريد لإعداد العينات. الطبيعة البوليمرية للمواد يجعل من الصعب الحصول على أقسام عرضية واضحة مع القطع العادية فقط. ومع ذلك، يؤدي كسر العينات المجمدة إلى مقاطع عرضية محددة بشكل جيد.
الشكل 2: نظرة عامة على عملية التصنيع. يتم تسليط الضوء على معظم الخطوات الهامة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
قدمنا طريقة تصنيع بسيطة وسريعة وقابلة للتكرار ومتعددة الاستخدامات لإعداد مركب أيوني ميكانيكيا ً نشطاً لمختلف تطبيقات الأكتوات، ومع تعديلات طفيفة أيضاً لتخزين الطاقة، وحصاد33 أو استشعار34 تطبيقاً. الأسلوب الحالي يركز على الأغشية مع عنصر سلبي متكامل وخامل كيميائيا (على سبيل المثال، شبكة البوليمر المقوى النسيج أو غشاء تفلون مسامية للغاية، انظر أيضا الشكل 3)لأن هذه الأغشية تبسيط كبير عملية إعداد الأكتواتر أيضا على نطاق واسع. وعلاوة على ذلك، فإن الأغشية الناتجة لديها خطر أقل من تورم والتواء بسبب المذيبات (أو المنحل بالكهرباء) في تعليق القطب أو من تشكيل نقطة ساخنة الدائرة القصيرة مقارنة مع العديد من أساليب التصنيع الشائعة الأخرى والمواد.
الخطوات الحرجة في إعداد صفح الأكتاتور بالسعة هي إعداد الغشاء ، وتصنيع الأقطاب الكهربائية ، ومرفق جامع التيار ، والقطع ، والاتصال(الشكل 2). كل من هذه الخطوات يترك مجالا للتخصيص وتحسين الأداء ، ولكن أيضا للأخطاء. في القسم التالي سوف نناقش التعديلات المفيدة واستراتيجيات استكشاف الأخطاء وإصلاحها من طريقة التصنيع هذه بمزيد من التفصيل. نتائج مركبة عالية الأداء من التفاعل بين العديد من الجوانب الرئيسية التي تحتاج إلى أن تؤخذ في الاعتبار: الموصلية الإلكترونية الكافية على طول القطب (إضافة جامع الذهب الحالي إلى أقطاب الكربون)؛ الموصلية الأيونية الكافية من خلال الغشاء (استخدام غشاء رقيقم مسامي وكمية كافية من المنحل بالكهرباء منخفضة اللزوجة ، والحد من المخاطر على التفاعلات غير المواتية بين الغشاء والكهارل باستخدام شبكة البوليمر الخاملة) ؛ مساحة سطح عالية من القطب (حدد نوع الكربون مناسبة)؛ الشوارد المصممة التي تؤدي إلى تورم / تقلص غير متناظرة من الأقطاب الكهربائية (حدد المنحل بالكهرباء مناسبة)؛ المعلمات الميكانيكية (مودولي يونغ من المكونات). كما تم تسليط الضوء على هذه الجوانب الرئيسية للأكتوات عالية الأداء القائمة على الكربون في الشكل 1B.
غشاء عالي الأداء هو الجزء المركزي من هذا المركب. لديها مهمتين: منع الموصلية الإلكترونية (الدوائر القصيرة) بين الأقطاب الكهربائية مع تمكين الموصلية الأيونية العالية. ويمكن أن تخدم التعديلات المدخلة على الغشاء عدة أغراض، مثل تكامل الأدوات كما أدخلها Must et al.24 أو إضافة خصائص جديدة (مثل التوافق البيولوجي أو التحلل البيولوجي أو الخصائص الميكانيكية المختلفة). يمكن تعديل طريقة التصنيع الحالية لاستخدام البوليمرات والشوارد الأخرى في الغشاء لإدخال خصائص جديدة إلى صفح نشط. مثل استراتيجية اختيار المذيبات التي أدخلت هنا للأجهزة الفعالة المقوى بالمنسوجات ، من المستحسن اختيار المذيبات الأكثر فقراً لتصنيع الأقطاب الكهربائية اللاحقة مقارنة بإعداد الغشاء. وهذا يضمن أن الغشاء لا يزال وظيفيا وسليمة أيضا بعد إضافة الأقطاب الكهربائية.
يتأثر أداء الأكتيان للمركب النهائي بمادة القطب المختار (الكربون) ، والكهارل وربما توافقها مع بعضها البعض. يقدم هذا البروتوكول تصنيع الصفيحة بالسعة القائمة على الكربون باستخدام كربيد البورون المشتق من الكربون و1-إيثيل-3-ميثيليمازوليوم ثلاثي فلوروروميثانسولفونات ([EMIM][OTf]) السائل الأيوني. ومع ذلك ، فإن نفس البروتوكول قابل للتكيف مع مواد الكربون الأخرى المحددة في منطقة السطح ، مثل الكربونات المشتقة من كربيد من مصادر أخرى (على سبيل المثال ، TiC35، SiC أو Mo2C36)، الأنابيب النانوية الكربونية8،37، aerogel الكربون38 أو الجرافين39، وغيرها ، كما استعرضت أيضا مؤخرا40.38 وعلاوة على ذلك، يمكن أيضا استخدام الشوارد الأخرى في إعداد الأكتواتر. ولا يقتصر الحصول على مركب وظيفي على أنواع الكربون والسوائل الأيونية المعروضة في هذا البروتوكول. حجم جسيمات الكربون، والتكتل ممكن في تعليق القطب واللزوجة التعليق هي أكثر المعلمات حاسمة لعملية طلاء رذاذ.
تمكن هذه الطريقة من إنتاج مواد صفح نشطة ميكانيكيًا ذات خصائص قابلة للاستنساخ بكميات كبيرة. يتم تصغير المحركات المصنوعة من هذه المواد بشكل رئيسي باستخدام قطع عالي الدقة (على سبيل المثال ، الشكل 3C). طرق بديلة لإعداد الهياكل الدقيقة، مثل اخفاء، والنقش ممكنة أثناء رذاذ الطلاء41. وعلاوة على ذلك، يمكن أيضا أن تكون منقوشة هياكل على نطاق ملليمتر في الذهب الحالي التالي مرفق الخطوة. ومع ذلك، في نطاق دون ملليمتر هذا قد تصبح صعبة للغاية. قد يكون من الأسهل إعداد أنواع أخرى من الأكتوات أو الأكتوات القائمة على الكربون دون جامعي تيار الذهب ، إذا كانت الميزات القابلة للنقش يجب أن تكون في مقياس الميكرومتر.
المحفزات الناعمة في جوهرها التي تستجيب للمحفزات الكهربائية لديها العديد من المزايا بفضل طبيعتها الناعمة والمتوافقة، والتشغيل الهادئ ومستويات الجهد المطلوبة المنخفضة. يوضح البروتوكول الحالي كيفية إنتاج مثل هذه المواد بكميات أكبر ومع تكرار دفعة إلى دفعة عالية وداخل الدفعة دون المساس بأداء الاكتويشن. ومن المتوخى إدخال تعديلات على الطريقة الحالية لإدراج مكونات أكثر ملاءمة للبيولوجيا وربما أيضا قابلة للتحلل البيولوجي من شأنها أن تمكن من تشغيل الكائنات الحية القريبة أو الداخلية بالإضافة إلى نهج التغليف الكلي الناجح، وإدماج المواد النشطة المدخلة في الأجهزة الروبوتية أو الطبية الحيوية الناعمة في المستقبل.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفان أن يشكرا رون هوفنكامب ومارسيل مولدر من شركة فيليبس للأبحاث على مناقشات مفيدة. وقد دعم هذا العمل جزئيا بتمويل البحوث المؤسسية IUT (IUT 20-24) التابع لوزارة التعليم والبحث الإستونية، منحة مجلس البحوث الإستوني (PUT1696)، من قبل صندوق التنمية الإقليمية الأوروبي، من قبل برنامج Mobilitas Pluss (منحة No MOBTP47)، من قبل برنامج الاتحاد الأوروبي للبحث والابتكار 2020 في إطار اتفاقية منحة ماري Skłodowska-Curie No 793377 (BIOACT)، ومشروع IMPACT-MII ، مشروع ابتكار صحة EIT. يتم دعم EIT Health من قبل EIT ، وهي هيئة من هيئات الاتحاد الأوروبي.
Materials
| ~150 µm thick gold plates for custom contacts | local jeweler | 99.9% purity (24K) | |
| 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([EMIM][OTf]) | Solvionic | 99.5% | |
| 100 ml Erlenmeyer flask | |||
| 4-methyl-2-pentanone (MP) | Sigma Aldrich | ≥99% | |
| acetone | technical grade | ||
| analytical balance | Mettler Toledo AB204-S/PH | ||
| carbon powder | Y Carbon | boron carbide derived carbon, particle size <10 µm, specific surface area 1800 m2/g, pore volume 0.5 cm3/g | |
| carbon powder | Skeleton Technologies | titanium carbide derived carbon | |
| circular disk magnets (neodymium) for custom contacts | local hardware store | d = 2 mm, thickness 1 mm | |
| compressed air supply for the airbrush | |||
| crocodile clips with jaws insulated from each other (Kelvin clips) | local hardware store | Optional for making custom contacts. Regular crocodile clips are not suitable because there the jaws are connected to each other at the spring. | |
| disposable foam cup | |||
| epoxy glue | local hardware store | preferaby fast cure epoxy for attaching gold contacts to magnets | |
| filter paper for drying | Munktell, Filtrak | e.g. diameter 150 mm and up if 142 mm PTFE sheet is used. | |
| flat nose tweezers | |||
| glass funnel | |||
| gold leaf on transfer sheets | Giusto Manetti Battiloro | 24K | |
| graduated glass cylinder | |||
| hairdryer or a heat gun | e.g. Philips | ||
| infrared ligth bulb | e.g. Philips | ||
| liquid nitrogen | CAUTION: Never close the lid of a liquid nitrogen container tightly. The pressure build-up could cause serious injuries. | ||
| magnetic stirrer / hotplate | |||
| magnetic stirrer bars | about 1 cm long | ||
| metal pipe | e.g. d = 3 cm | ||
| metal ruler | |||
| micrometer thickness gauge | Mitotuyo | range 0-25 mm, precision 0.001 mm | |
| N,N-dimethylacetamide (DMAc) | Sigma Aldrich | 99.5% | |
| paintbursh | |||
| plastic embroidery hoops | e.g. Pony | select the diameter depending on the desired batch size (e.g. 7.5 cm to 25 cm) | |
| plastic Pasteur pipettes | |||
| polyethylene-based laboratory stretch film | DuraSeal | ||
| polyvinylidene difluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) | Sigma Aldrich | Mn = 130000, Mw = 400000 | |
| polyvinylidene fluoride (PVDF) | Sigma Aldrich | Mw (g/mol) = 534000 | |
| potentiostat/galvanostat/FRA | PARSTAT 2273 | needed for electrochemical characterization | |
| propylene carbonate (PC) | Merck | 99% | |
| PTFE filtration membrane | Omnipore | JVWP14225 | 0.1 µm pore size, hydrophilic , 142 mm diameter, 30 µm thickness, 80% porosity |
| PTFE filtration membrane | Omnipore | JGWP14225 | 0.2 µm pore size, hydrophilic , 142 mm diameter, 65 µm thickness, 80% porosity |
| scalpel | |||
| scotch tape | |||
| silk (woven textile) | Esaki Model Manufacturing | #3 | 11.5 g/m2 |
| soldering equipment | local hardware store | For connecting the ~150 µm gold plates to the clips | |
| spray gun, airbrush | Iwata HP TR-2 | ||
| sputter coater | Leica EM ACE600 | ||
| tabletop scanning electron microscope | Hitachi TM3000 | ||
| ultrasonic processor | Hielscher UP200S |
References
- Must, I., et al. Ionic and Capacitive Artificial Muscle for Biomimetic Soft Robotics. Advanced Engineering Materials. 17 (1), 84-94 (2015).
- McGovern, S., Alici, G., Truong, V. T., Spinks, G. Finding NEMO (novel electromaterial muscle oscillator): A polypyrrole powered robotic fish with real-time wireless speed and directional control. Smart Materials and Structures. 18 (9), (2009).
- Hines, L., Petersen, K., Lum, G. Z., Sitti, M. Soft Actuators for Small-Scale Robotics. Advanced Materials. 29 (13), (2017).
- Carpi, F. . Electromechanically Active Polymers. , (2016).
- Bar-Cohen, Y., Anderson, I. A. Electroactive polymer (EAP) actuators-background review. Mechanics of Soft Materials. 1 (1), 5 (2019).
- Schmitt, F., Piccin, O., Barbé, L., Bayle, B. Soft robots manufacturing: A review. Frontiers Robotics AI. 5, (2018).
- Rosset, S., Araromi, O. a., Schlatter, S., Shea, H. R. Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators. Journal of Visualized Experiments. (108), 1-13 (2016).
- Fukushima, T., Asaka, K., Kosaka, A., Aida, T. Fully Plastic Actuator through Layer-by-Layer Casting with Ionic-Liquid-Based Bucky Gel. Angewandte Chemie International Edition. 44 (16), 2410-2413 (2005).
- Takeuchi, I., et al. Electromechanical behavior of fully plastic actuators based on bucky gel containing various internal ionic liquids. Electrochimica Acta. 54 (6), 1762-1768 (2009).
- Mukai, K., et al. High performance fully plastic actuator based on ionic-liquid-based bucky gel. Electrochimica Acta. 53 (17), 5555-5562 (2008).
- Fedkiw, P. S., Her, W. H. An Impregnation-Reduction Method to Prepare Electrodes on Nafion SPE. Journal of the Electrochemical Society. 136 (3), 899-900 (1989).
- Akle, B. J., Bennett, M. D., Leo, D. J., Wiles, K. B., McGrath, J. E. Direct assembly process: a novel fabrication technique for large strain ionic polymer transducers. Journal of Materials Science. 42 (16), 7031-7041 (2007).
- Akle, B., Nawshin, S., Leo, D. Reliability of high strain ionomeric polymer transducers fabricated using the direct assembly process. Smart Materials and Structures. 16 (2), 1-6 (2007).
- Otero, T. F., Angulo, E., Rodríguez, J., Santamaría, C. Electrochemomechanical properties from a bilayer: polypyrrole / non-conducting and flexible material – artificial muscle. Journal of Electroanalytical Chemistry. 341 (1-2), 369-375 (1992).
- Smela, E., Inganäs, O., Pei, Q., Lundström, I. Electrochemical muscles: Micromachining fingers and corkscrews. Advanced Materials. 5 (9), 630-632 (1993).
- Simaite, A., Mesnilgrente, F., Tondu, B., Souères, P., Bergaud, C. Towards inkjet printable conducting polymer artificial muscles. Sensors and Actuators B: Chemical. 229, 425-433 (2016).
- Põldsalu, I., Mändmaa, S. -. E., Peikolainen, A. -. L., Kesküla, A., Aabloo, A. Fabrication of ion-conducting carbon-polymer composite electrodes by spin-coating. Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD). , 943019 (2015).
- Kaasik, F., et al. Scalable fabrication of ionic and capacitive laminate actuators for soft robotics. Sensors and Actuators, B: Chemical. 246, 154-163 (2017).
- Sugino, T., Shibata, Y., Kiyohara, K., Asaka, K. Actuation mechanism of dry-type polymer actuators composed by carbon nanotubes and ionic liquids. Sensors and Actuators, B: Chemical. 273, 955-965 (2018).
- Conway, B. E. Transition from “Supercapacitor” to “Battery” Behavior in Electrochemical Energy Storage. Journal of The Electrochemical Society. 138 (6), 1539 (1991).
- White, B. T., Long, T. E. Advances in Polymeric Materials for Electromechanical Devices. Macromolecular Rapid Communications. 40 (1), 1-13 (2019).
- Addinall, R., et al. Integration of CNT-based actuators for bio-medical applications – Example printed circuit board CNT actuator pipette. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM. , 1436-1441 (2014).
- Zhang, J., Wu, J., Yu, J., Zhang, X., He, J., Zhang, J. Application of ionic liquids for dissolving cellulose and fabricating cellulose-based materials: State of the art and future trends. Materials Chemistry Frontiers. 1 (7), 1273-1290 (2017).
- Must, I., Rinne, P., Krull, F., Kaasik, F., Johanson, U., Aabloo, A. Ionic Actuators as Manipulators for Microscopy. Frontiers in Robotics and AI. 6, (2019).
- Torop, J., Palmre, V., Arulepp, M., Sugino, T., Asaka, K., Aabloo, A. Flexible supercapacitor-like actuator with carbide-derived carbon electrodes. Carbon. 49 (9), 3113-3119 (2011).
- Torop, J., Sugino, T., Asaka, K., Jänes, A., Lust, E., Aabloo, A. Nanoporous carbide-derived carbon based actuators modified with gold foil: Prospect for fast response and low voltage applications. Sensors and Actuators B: Chemical. 161 (1), 629-634 (2012).
- Vella, D. Buffering by buckling as a route for elastic deformation. Nature Reviews Physics. 1 (7), 425-436 (2019).
- Rinne, P., et al. Encapsulation of ionic electromechanically active polymer actuators. Smart Materials and Structures. , (2019).
- Nakshatharan, S. S., Punning, A., Johanson, U., Aabloo, A. Effect of electrical terminals made of copper to the ionic electroactive polymer actuators. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. 10163, 101632 (2017).
- Punning, A., et al. Ionic electroactive polymer artificial muscles in space applications. Scientific Reports. 4 (1), 6913 (2014).
- Sugino, T., Kiyohara, K., Takeuchi, I., Mukai, K., Asaka, K. Actuator properties of the complexes composed by carbon nanotube and ionic liquid: The effects of additives. Sensors and Actuators B: Chemical. 141 (1), 179-186 (2009).
- Punning, A., Vunder, V., Must, I., Johanson, U., Anbarjafari, G., Aabloo, A. In situ scanning electron microscopy study of strains of ionic electroactive polymer actuators. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 27 (8), 1061-1074 (2016).
- Must, I., Kaasik, F., Põldsalu, I., Johanson, U., Punning, A., Aabloo, A. A carbide-derived carbon laminate used as a mechanoelectrical sensor. Carbon. 50 (2), 535-541 (2012).
- Kruusamäe, K., Punning, A., Aabloo, A. Electrical model of a carbon-polymer composite (CPC) collision detector. Sensors. 12 (2), 1950-1966 (2012).
- Palmre, V., et al. Nanoporous carbon-based electrodes for high strain ionomeric bending actuators. Smart Materials and Structures. 18 (9), 095028 (2009).
- Torop, J., et al. Microporous and mesoporous carbide-derived carbons for strain modification of electromechanical actuators. Langmuir. 30 (10), 2583-2587 (2014).
- Baughman, R. H. Carbon Nanotube Actuators. Science. 284 (5418), 1340-1344 (1999).
- Palmre, V., et al. Electroactive polymer actuators with carbon aerogel electrodes. Journal of Materials Chemistry. 21 (8), 2577 (2011).
- Lu, L., et al. Highly stable air working bimorph actuator based on a graphene nanosheet/carbon nanotube hybrid electrode. Advanced Materials. 24 (31), 4317-4321 (2012).
- Kong, L., Chen, W. Carbon Nanotube and Graphene-based Bioinspired Electrochemical Actuators. Advanced Materials. 26 (7), 1025-1043 (2014).
- Nakshatharan, S. S., Johanson, U., Punning, A., Aabloo, A. Modeling, fabrication, and characterization of motion platform actuated by carbon polymer soft actuator. Sensors and Actuators, A: Physical. 283, 87-97 (2018).
