التصنيع السريع من المشغلات الهوائية لينه رقيقه والروبوتات
Summary
يصف هذا البروتوكول طريقه للتصنيع السريع لمشغلات الهوائيات الناعمة والروبوتات مع عامل شكل رقيق. تبدا طريقه التصنيع مع التصفيح من البولي يوريثين بالحرارة (TPU) صحائف تليها قطع الليزر/لحام من نمط ثنائي الابعاد لتشكيل المحركات والروبوتات.
Abstract
يصف هذا البروتوكول طريقه للتصنيع السريع للمشغلات الهوائية اللينة والروبوتات مع عامل شكل سامسونج باستخدام الصحافة الحرارة واله قطع الليزر. تبدا الطريقة مع التصفيح من البولي يوريثين بالحرارة (TPU) أوراق باستخدام الصحافة الحرارية لمده 10 دقيقه في درجه حرارة ~ 93 درجه مئوية. بعد ذلك ، يتم تحسين المعلمات من اله قطع الليزر لإنتاج بالون مستطيله مع اقصي ضغط الانفجار. باستخدام المعلمات الأمثل ، والمشغلات الناعمة هي قطع الليزر/ملحومه ثلاث مرات بالتتابع. بعد ذلك ، يتم إرفاق ابره الاستغناء إلى المحرك ، مما يسمح لها ان تكون مضخمه. يتم دراسة تاثير المعلمات الهندسية علي انحراف المحرك بشكل منهجي من خلال تغيير عرض القناة وطولها. وأخيرا ، يتميز أداء المحرك باستخدام كاميرا بصريه وموزع سائل. أساليب التصنيع التقليدية من المحركات الهوائية الناعمة علي أساس صب السيليكون تستغرق وقتا طويلا (عده ساعات). كما انها تؤدي إلى محركات قويه ولكنها ضخمه ، مما يحد من تطبيقات المحرك. وعلاوة علي ذلك ، التصنيع المجهري من المحركات الهوائية رقيقه علي حد سواء مضيعه للوقت ومكلفه. طريقه التصنيع المقترحة في العمل الحالي حل هذه القضايا عن طريق إدخال طريقه تصنيع سريعة وبسيطه وفعاله من حيث التكلفة من المحركات الهوائية سامسونج.
Introduction
كخطوه إلى الامام في تصنيع المحركات الهوائية الناعمة ، والطريقة المقترحة يوضح تلفيق السريع من سامسونج (~ 70 μm) المحركات الهوائية المصنوعة من البولي يوريثين بالحرارة (TPU)1. هذه المحركات مفيده بشكل خاص في التطبيقات التي تتطلب الروبوتات لتكون خفيفه الوزن و/أو تناسب داخل المساحات الصغيرة. ويمكن تصور مثل هذه التطبيقات لتكون المتلاعبين الجراحية بالقسطرة ، والمحركات يمكن ارتداؤها ، والروبوتات البحث والإنقاذ ، والروبوتات الطيران أو السباحة.
طريقه التصنيع التقليدية من المشغلات الهوائية لينه رقيقه ، والتي تقوم علي صب السيليكون ، هو مضيعه للوقت (عده ساعات) وصعبه للغاية نظرا لانخفاض القرار من القوالب المطبوعة 3D والصعوبات في demolding رقيقه (اقل من 0.5 ملم) المحركات. وعلي وجه الخصوص ، يتطلب تصنيع المحركات الرقيقة تطبيق الاداات والأساليب المتخصصة2.
ويمكن اعتماد تقنيات التصنيع المجهري لافتعال المحركات رقيقه3،4،5،6،7. بدلا من ذلك, وقد وضعت ايكيتشي وآخرون المحركات الهوائية رقيقه باستخدام غشاء مايكرو النقش8. وعلي الرغم من ان هذه الأساليب فعاله ، فانها تتطلب أدوات باهظه التكلفة وتستغرق وقتا طويلا. التالي ، لديهم تطبيقات محدوده.
اثبت paek et al. طريقه بسيطه لتصنيع المحركات الناعمة الصغيرة الحجم باستخدام طلاء القوالب الاسطوانيه2. علي الرغم من انها فعاله ، هناك مسالتان مع تطبيق واسع النطاق لهذه الطريقة: أولا ، ليس من السهل التحكم في سماكه الميزات المغلفة بالغمس ، وثانيا ، يقتصر تطبيقها علي عدد محدود من التصاميم ثلاثية الابعاد (3D).
المحركات peano9،10 والحقيبة المحركات11،12 لديها المدمجة ثنائيه الابعاد (2d) التصاميم التي تؤدي إلى عوامل شكل رقيقه (اي ، مساحات كبيره مع سماكه صغيره). وأفادت veale et al. تطوير المحركات peano الخطية المصنوعة من البلاستيك المقوي والمنسوجات-سيليكون المركبات1،8. طورت نيياما وآخرون محركات الحقيبة باستخدام الأفلام الحرارية المصنوعة بواسطة الحرارة الختم وأنظمه الرسم الحراري11،12.
في حين ان تصميم 2D من المشغلات Peano والمحركات الحقيبة يجعلها رقيقه جدا في حالتها التي لم يتم تشغيلها ، وبناء علي التضخم الغرفة حجمها صفر يوسع إلى حجم كبير نسبيا ، مما يحد من تطبيقها للتشغيل في مساحات محدوده مثل العلاجات ترانس أو البحث والإنقاذ البعثات1. وعلي النقيض من هذه التصاميم ، فان المحركات اللينة المقترحة في الطريقة الحالية يمكن ان يشتغل مع سلالات صغيره نسبيا. وهكذا ، حتى في الدولة التي تم دفعها تشغل مساحات صغيره نسبيا1.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتشمل الخطوات الحاسمة في تصنيع المحركات لينه: ط) تصميم CAD 2D. تخطيط 2D المناسبة يمكن ان تملي تشوه المحرك (علي سبيل المثال ، الخطي ، المحوري ، الانحناء ، والحركة التناوب). 2) التصفيح من الطبقات TPU. الأفلام TPU هي الحرارة التي تم الضغط عليها قبل قطع الليزر للتاكد من ان طبقات هي مسطحه وفي اتصال امتثالي في كل مكان. 3) قطع الليزر/لحام. كما الخطوة الاخيره ، طبقات TPU مغلفه هي قطع الليزر/ملحومه في المحركات الناعمة.
معدل نجاح البروتوكول يمكن ان تنتج 100 ٪ العائد (علي سبيل المثال ، لقد جعلنا 20 المحركات في وقت واحد). العامل الأساسي هو الخطوة التصفيح: للحصول علي أفضل النتائج ، يجب ان تكون بالأرض TPU قدر الإمكان قبل عمليه الصحافة الحرارة. فحص مناطق مختلفه من لوحه الصحافة الحرارة مع قوه الاستشعار قد تظهر ان توزيع الضغط ليست موحده. توزيع الضغط غير موحده يمكن ان يؤدي إلى التصفيح الكمال من أوراق TPU ، والتي بدورها يؤدي إلى قطع الليزر الكمال/لحام والتسرب. بدلا من ذلك ، نقل الحرارة غير موحده بسبب التجاعيد الصغيرة في الفيلم TPU خلال القطع بالليزر/لحام يمكن ان يسبب تسرب.
بالمقارنة مع الأساليب التقليدية ، الطريقة المقترحة لديها العديد من المزايا بما في ذلك: i) تصميم 2D بسيطه. في حين ان الطريقة الحالية تتطلب فقط تصاميم CAD 2D لقطع الليزر/لحام المحركات (أنماط مختلفه متاحه1) ، وأساليب التصنيع التقليدية علي أساس الصب سيليكون تتطلب تصميم قالب 3d. ‘ 2 ‘ التصنيع السريع. الوقت تلفيق من تصميم CAD إلى التصفيح من طبقات TPU وقطع الليزر/لحام يمكن ان يحدث في عده دقائق ، في حين ان طريقه التصنيع التقليدية سوف يستغرق عده ساعات. من خلال السماح بتصنيع الاجهزه اللينة والروبوتات الناعمة في خطوه واحده ، بدون تجميع ، يمكن تصميم الروبوتات الناعمة والاجهزه من مزيج من أنواع مختلفه من المحركات ، ويمكن ان يكون نموذج CAD قطع الليزر/ملحومه في المنتج النهائي في خطوه واحده دون الحاجة إلى اي تجميع. علي سبيل المثال ، الروبوت السباحة ، تتالف من أربعه أرجل كل تتكون من نوعين من المحركات الانحناء ، ملفقه من تصميم CAD 2D في بضع دقائق فقط دون الحاجة إلى اي خطوات التجمع ، كما هو موضح سابقا1.
كاتجاه في المستقبل لهذا العمل ، يمكن اعتماد أنواع مختلفه من المواد بالحرارة لتصنيع المحركات الناعمة. عموما ، هذه المواد تحتاج إلى سلوك مرن لاستخدامها كمحركات. سيؤدي تطبيق المواد الحرارية أكثر صلابة في ارتفاع ضغط الانفجار واعلي قوه الحجب من المحركات مقارنه بتلك التي تميزت سابقا في الشكل S6 من المغني وآخرون1، والتي تظهر قوات تصل إلى 0.1 N. التالي ، فانه يمكن توسيع نطاق تطبيق المحركات إلى الحالات التي تكون فيها قوه الحجب الأعلى مطلوبه ، مثل اجنحه هيكل.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر معهد دالو للتصوير القلبي الوعائي لتمويل هذا العمل.
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).
