Low-Cost 3D printed, Biocompatible Ionic Polymer Membranes for Soft Actuators

要約

イオン性ポリマーアクチュエータは本質的に、電極層の間に挟まれたイオン交換ポリマーで構成されています。
これらは、その軽量な性質、ノイズのない動作、および低駆動電圧により、ソフトアクチュエータの有望な候補として最近認識されています。
しかし、それらの開発に伝統的に使用されてきた材料は、多くの場合、人や環境に優しくありません。
したがって、この問題に対処するために、研究者はこのアクチュエータの生体適合性のあるバージョンの開発に焦点を当ててきました。
それにもかかわらず、このようなアクチュエータは、ペイロード容量、曲げ能力、応答時間などの高性能を達成する上で依然として課題に直面しています。
この論文では、直接インク描画法を利用して膜が完全に 3D プリントされた生体適合性イオンポリマーアクチュエータを紹介します。
印刷された膜の構造は、活性炭ポリマーの層内にカプセル化された生分解性のイオン流体で構成されています。
その構造を顕微鏡で観察したところ、イオン性ポリマーが良好に内包されていることが確認されました。
アクチュエータは最大 124$^\circ$ (曲率 0.82 $\text{cm}^{-1}$) の曲げ性能を達成できます。これは、私たちの知る限り、曲げイオン性ポリマーによって達成される最高の曲率です。
今までのアクチュエーター。
最大 2 Hz の駆動周波数で快適に動作し、最大 0.76 mN の阻止力を達成できます。
私たちの結果は、標準的な FDM 3D プリンタを使用して単一ステップでメンブレンを簡単に製造できる、有望で高性能の生体適合性イオンポリマーアクチュエータを示しています。
このアプローチは、近い将来、ヒューマン・インタラクティブ・デバイスなどの機能的なソフト・ロボット・アプリケーションのカスタマイズされた設計を作成する道を開きます。

要約(オリジナル)

Ionic polymer actuators, in essence, consist of ion exchange polymers sandwiched between layers of electrodes. They have recently gained recognition as promising candidates for soft actuators due to their lightweight nature, noise-free operation, and low-driving voltages. However, the materials traditionally utilized to develop them are often not human/environmentally friendly. Thus, to address this issue, researchers have been focusing on developing biocompatible versions of this actuator. Despite this, such actuators still face challenges in achieving high performance, in payload capacity, bending capabilities, and response time. In this paper, we present a biocompatible ionic polymer actuator whose membrane is fully 3D printed utilizing a direct ink writing method. The structure of the printed membranes consists of biodegradable ionic fluid encapsulated within layers of activated carbon polymers. From the microscopic observations of its structure, we confirmed that the ionic polymer is well encapsulated. The actuators can achieve a bending performance of up to 124$^\circ$ (curvature of 0.82 $\text{cm}^{-1}$), which, to our knowledge, is the highest curvature attained by any bending ionic polymer actuator to date. It can operate comfortably up to a 2 Hz driving frequency and can achieve blocked forces of up to 0.76 mN. Our results showcase a promising, high-performing biocompatible ionic polymer actuator, whose membrane can be easily manufactured in a single step using a standard FDM 3D printer. This approach paves the way for creating customized designs for functional soft robotic applications, including human-interactive devices, in the near future.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google