यह लेख बायोमेडिकल, बायोमिमेटिक और सॉफ्ट रोबोटिक्स अनुप्रयोगों में एक्टुएटर के लिए आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय समग्र सामग्री की एक तेज और सरल विनिर्माण प्रक्रिया का वर्णन करता है। प्रमुख निर्माण कदम, एक्टूएटर के अंतिम गुणों के लिए उनके महत्व, और कुछ मुख्य लक्षण वर्णन तकनीकों का विस्तार से वर्णन किया गया है।
आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय कैपेसिटिव लेमिनेट एक प्रकार की स्मार्ट सामग्री है जो विद्युत उत्तेजना के जवाब में आगे बढ़ती है। इस विरूपण की नरम, आज्ञाकारी और बायोमिमेटिक प्रकृति के कारण, टुकड़े टुकड़े से बने एक्टुएटर को नरम रोबोटिक्स और (जैव) चिकित्सा अनुप्रयोगों में बढ़ती रुचि मिली है। हालांकि, बड़ी (यहां तक कि औद्योगिक) मात्रा में सक्रिय सामग्री को आसानी से गढ़ने के तरीकों और एक उच्च बैच-टू-बैच और भीतर बैच दोहराने के लिए प्रयोगशाला से उद्योग में ज्ञान को स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है। यह प्रोटोकॉल आयनिक कार्बन आधारित इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय कैपेसिटिव लेमिनेट के निर्माण और उसके बने एक्टूएटर की तैयारी के लिए एक सरल, औद्योगिक रूप से स्केलेबल और प्रजनन योग्य विधि का वर्णन करता है। एक निष्क्रिय और रासायनिक निष्क्रिय (अघुलनशील) मध्य परत (जैसे, एक कपड़ा प्रबलित बहुलक नेटवर्क या माइक्रोपोरस टेफ्लॉन) का समावेश दूसरों से विधि को अलग करता है। प्रोटोकॉल को पांच चरणों में विभाजित किया गया है: झिल्ली तैयारी, इलेक्ट्रोड तैयारी, वर्तमान कलेक्टर लगाव, काटने और आकार देने, और एक्टयूशन। प्रोटोकॉल के बाद एक सक्रिय सामग्री होती है जो उदाहरण के लिए, लेख में प्रदर्शित बेतरतीब आकार की वस्तु को समझ और पकड़ सकती है।
आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय बहुलक या पॉलीमेरिक कंपोजिट आंतरिक रूप से नरम और आज्ञाकारी सामग्री हैं जिन्हें विभिन्न नरम रोबोटिक्स और बायोमिमेटिक अनुप्रयोगों (जैसे, एक्टूएटर, ग्रिपर्स, या बायोप्रेरित रोबोट1,,2)में बढ़ती रुचि प्राप्त हुई है। इस प्रकार की सामग्री कुछ वोल्ट की सीमा में विद्युत संकेतों का जवाब देती है, जो उन्हें पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स और बिजली स्रोतों3के साथ एकीकृत करना आसान बनाती है। कई अलग-अलग प्रकार की आयनिक एक्टूएटर आधार सामग्री उपलब्ध हैं, जैसा किकहींऔर विस्तार से वर्णित है, और फिर हाल ही में5। इसके अलावा, हाल ही में इस बात पर विशेष रूप से जोर दिया गया है कि सॉफ्ट रोबोटिक उपकरणों का विकास प्रासंगिक सक्रिय सामग्रियों और घटकों6के लिए उन्नत विनिर्माण प्रक्रियाओं के विकास से बहुत निकटता से संबंधित होगा। इसके अलावा, प्रयोगशाला से उद्योग की ओर बढ़ने की क्षमता रखने वाले प्रजनन योग्य एक्टुएटर की तैयारी में एक कुशल और सुस्थापित प्रक्रिया प्रवाह के महत्व को भी पिछले तरीकों-आधारितअध्ययनों7 में रेखांकित किया गया है।
पिछले दशकों में, कई निर्माण विधियों को एक्टुएटर (जैसे, परत-दर-परत कास्टिंग8 और गर्म दबाने9,,10,गर्भवती-कमी11,पेंटिंग12,,13,या स्पंदन और बाद में इलेक्ट्रो केमिकल संश्लेषण14,,15,इंकजेट प्रिंटिंग16 और स्पिन-कोटिंग17)की तैयारी के लिए विकसित या अनुकूलित किया गया है; कुछ विधियां अधिक सार्वभौमिक हैं, और कुछ दूसरों की तुलना में सामग्री चयन के मामले में अधिक सीमित हैं। हालांकि, वर्तमान तरीकों के कई बल्कि जटिल और/या प्रयोगशाला पैमाने पर निर्माण के लिए अधिक उपयुक्त हैं । वर्तमान प्रोटोकॉल कम बैच-टू-बैच और भीतर बैच परिवर्तनशीलता और एक लंबे एक्ट्युलेटर लाइफटाइम18के साथ सक्रिय टुकड़े टुकड़े का उत्पादन करने के लिए एक तेज, दोहराने योग्य, विश्वसनीय, स्वचालित और स्केलेबल एक्टूएटर निर्माण विधि पर केंद्रित है। इस विधि का उपयोग सामग्री वैज्ञानिकों द्वारा जैव प्रेरित अनुप्रयोगों की अगली पीढ़ी के लिए उच्च प्रदर्शन वाले एक्टुएटर विकसित करने के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, संशोधनों के बिना इस विधि का पालन नरम रोबोटिक्स इंजीनियरों और शिक्षकों के विकास और नए उपकरणों के प्रोटोटाइप के लिए एक सक्रिय सामग्री देता है, या नरम रोबोटिक्स अवधारणाओं शिक्षण के लिए ।
आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय बहुलक या पॉलीमेरिक एक्टुएटर आमतौर पर दो या तीन परत लैमिनार कंपोजिट से बने होते हैं और कुछ वोल्ट(चित्रा 1)की सीमा में विद्युत उत्तेजना के जवाब में झुकते हैं। यह झुकने की गति इलेक्ट्रोड परतों में सूजन और संकुचन प्रभाव के कारण होती है, और यह आम तौर पर इलेक्ट्रोड (उदाहरण के लिए, प्रवाहकीय बहुलक की तरह इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय बहुलक (ईएपी) के मामले में या कार्बन-आधारित पॉलीमेरिक इलेक्ट्रोड में डबल-लेयर (उदाहरण के लिए, कार्बन-आधारित पॉलीमेरिक इलेक्ट्रोड के कैपेसिटिव चार्जिंग द्वारा, जहां बहुलक केवल एक बांधने के रूप में कार्य कर सकता है) पर फरुखिक (redox) प्रतिक्रियाओं द्वारा लाया जाता है। इस प्रोटोकॉल में(चित्रा 2),हम बाद पर ध्यान केंद्रित; हम एक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय समग्र के निर्माण को दिखाते हैं जिसमें दो उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र इलेक्ट्रॉनिक रूप से प्रवाहकीय कार्बन-आधारित इलेक्ट्रोड होते हैं जो एक निष्क्रिय आयन-प्रवाहकीय झिल्ली से अलग होते हैं जो इलेक्ट्रोड के बीच केकरण और आयनों के आंदोलन की सुविधा प्रदान करता है – एक विन्यास सुपरकैपेसिटर के समान। इस प्रकार के एक्टूलेटर कैपेसिटिव चार्जिंग/डिस्चार्जिंग के जवाब में झुकता है और इलेक्ट्रोड की सूजन/संकुचन आमतौर पर इलेक्ट्रोलाइट8,10,,19के के सेशन और आयनों की मात्रा और गतिशीलता में अंतर के लिए जिम्मेदार होता है । जब तक सतह-कार्यात्मक कार्बन का उपयोग सक्रिय सामग्री के रूप में नहीं किया जाता है या इलेक्ट्रोलाइट की इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता संभावित खिड़की के बाहर कैपेसिटिव कंपोजिट का उपयोग किया जाता है, तब तक इस प्रकार के इलेक्ट्रोड20पर कोई फरुखिक प्रतिक्रियाएं नहीं होने की उम्मीद है। फरुखी प्रतिक्रियाओं की कमी इस एक्टुएटर सामग्री के लाभकारी लंबे जीवनकाल में मुख्य योगदानकर्ता है (यानी, हवा में हजारों चक्र8,,18 विभिन्न कैपेसिटिव एक्टुएटर के लिए दिखाए गए)।
चित्रा 1: तटस्थ (ए) में कार्बन आधारित एक्टुएटर की संरचना और एक्टुएटेड राज्य (बी) में। (ख)उन प्रमुख विशेषताओं पर भी प्रकाश डालता है जो आयनिक एक्टर के प्रदर्शन को निर्धारित करते हैं । नोट: आंकड़ा पैमाने पर तैयार नहीं है । आयन आकार को एक निष्क्रिय झिल्ली के मामले में प्रचलित सबसे अधिक उद्धृत एक्ट्युक्शन तंत्र को चित्रित करने के लिए बढ़ा-चढ़ाकर पेश किया गया है जो इलेक्ट्रोलाइट (जैसे, आयनिक तरल) के आयनों और कोटेशन दोनों की गतिशीलता को सक्षम बनाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
एक कार्यात्मक झिल्ली प्राप्त करना जो पूरे निर्माण प्रक्रिया में बरकरार रहता है, सफल एक्टुएटर तैयारी में महत्वपूर्ण चरणों में से एक है। एक एक्टूलेटर के लिए एक उच्च प्रदर्शन झिल्ली जितना संभव हो उतना पतला है और किसी भी इलेक्ट्रॉनिक चालकता को अवरुद्ध करते समय इलेक्ट्रोड के बीच आयनिक चालकता को सक्षम बनाता है। झिल्ली में आयनिक चालकता इलेक्ट्रोलाइट को एक निष्क्रिय असुरक्षित नेटवर्क (उदाहरण के लिए, इस प्रोटोकॉल में उपयोग किया जाने वाला दृष्टिकोण) या विशिष्ट बहुलकों के उपयोग से सहसंयोजक बंधुआ आयनीकृत इकाइयों या अन्य समूहों के साथ हो सकती है जो इलेक्ट्रोलाइट के साथ बातचीत को सक्षम करती है। पूर्व दृष्टिकोण को अपनी सादगी के लिए यहां पसंद किया जाता है, जबकि इलेक्ट्रोलाइट और बहुलक नेटवर्क के बीच विशेष रूप से अनुरूप बातचीत के फायदे भी हो सकते हैं, यदि प्रतिकूल बातचीत (उदाहरण के लिए, आयन आंदोलन को अवरुद्ध या धीमा करना काफी बातचीत के कारण) को खारिज किया जा सकता है। इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय एक्टुएटर के लिए आयनोमेरिक या अन्यथा सक्रिय झिल्ली के विशाल चयन और उनके परिणामस्वरूप एक्चुएशन तंत्र की हाल ही में21की समीक्षा की गई है । इलेक्ट्रोड चयन के अलावा झिल्ली चयन, एक्ट्युलेटर के प्रदर्शन, जीवनकाल और एक्टुएशन तंत्र में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। वर्तमान प्रोटोकॉल मुख्य रूप से निष्क्रिय झिल्ली पर ध्यान केंद्रित कर रहा है जो आयन माइग्रेशन के लिए असुरक्षित संरचना प्रदान करता है (जैसा कि चित्रा 1पर दिखाया गया है), हालांकि प्रोटोकॉल के कुछ हिस्से (उदाहरण के लिए, झिल्ली विकल्प सी) सक्रिय झिल्ली के लिए भी फायदेमंद साबित हो सकते हैं।
झिल्ली सामग्री चयन के अलावा, इसकी निर्माण विधि भी समग्र के लिए एक कार्यात्मक विभाजक प्राप्त करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। पहले इस्तेमाल की गई कास्ट झिल्ली बाद में गर्म दबाव वाले चरण के दौरान पिघल जाती है और इसलिए22शॉर्ट-सर्किट हॉटस्पॉट बन सकती है। इसके अलावा, वाणिज्यिक आयनोमेरिक झिल्ली (उदाहरण के लिए, Nafion) बाद के विनिर्माणचरणों 12में उपयोग किए जाने वाले सॉल्वैंट्स के जवाब में काफी प्रफुल्लित और बकसुआ करते हैं, और कुछ पॉलिमर (जैसे, सेल्यूलोज23)कुछ आयनिक तरल पदार्थों में कुछ हद तक भंग करने के लिए जाने जाते हैं, संभवतः निर्माण प्रक्रिया की पुनरावृत्ति के साथ समस्या पैदा करते हैं और जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोड की खराब एकरूपता होती है। इसलिए, यह प्रोटोकॉल झिल्ली (उदाहरण के लिए, ग्लास फाइबर या पीवीडीएफ या पीटीएफई के साथ रेशम) में एक अभिन्न निष्क्रिय और रासायनिक निष्क्रिय घटक के साथ एक्टुएटर पर केंद्रित है जो बाद के निर्माण चरणों में सूजन और बकसुआ से या शॉर्ट-सर्किट हॉटस्पॉट बनाने से समग्र को रोकता है। इसके अलावा, एक निष्क्रिय और निष्क्रिय घटक के अलावा विनिर्माण प्रक्रिया को काफी सरल बनाता है और अधिक पारंपरिक तरीकों की तुलना में बड़े बैच आकार को सक्षम बनाता है।
झिल्ली में निष्क्रिय सुदृढीकरण को शामिल करना सबसे पहले कासिक एट अल द्वारा पेश किया गया था। 18 एक्टूलेटर विनिर्माण प्रक्रिया में उपर्युक्त समस्याओं से निपटने के लिए । बुने हुए वस्त्र सुदृढीकरण को शामिल करना (चित्रा 3 बी और 3डीभी देखें) उपकरणों को सक्रिय समग्र24 में एकीकृत करने या स्मार्ट वस्त्र18विकसित करने की क्षमता का परिचय देता है। इसलिए, प्रोटोकॉल में झिल्ली विकल्प सी ऐसे अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त है। हालांकि, लघुकृत एक्टुएटर (उप-मिलीमीटर स्तर में) के मामले में, झिल्ली में निष्क्रिय-से-सक्रिय घटक अनुपात अधिक से अधिक प्रतिकूल हो जाता है और ऑर्डर किए गए कपड़ा सुदृढीकरण को शामिल करने से एक्टूएटर के प्रदर्शन और नमूना-से-नमूना दोहराव को नकारात्मक रूप से प्रभावित करना शुरू हो सकता है। इसके अलावा, सुदृढीकरण की दिशा (झुकने की दिशा के संबंध में तिरछे या तिरछे) अप्रत्याशित रूप से अधिक जटिल आकार के एक्टुएटर के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकती है। इसलिए, एक कम व्यवस्थित और अत्यधिक असुरक्षित निष्क्रिय संरचना लघुकृत एक्टुएटर और अधिक जटिल एक्टुएटर आकार के लिए अधिक फायदेमंद होगी।
पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (पीटीएफई, व्यापार नाम टेफ्लॉन के तहत भी जानते हैं) सबसे निष्क्रिय बहुलकों में से एक है जो आज तक जानते हैं। यह आम तौर पर अत्यधिक हाइड्रोफोबिक होता है, लेकिन सतह से इलाज किए गए संस्करण जो हाइड्रोफिलिक मौजूद हैं, जो एक्टूएटर निर्माण में अधिक आसानी से उपयोग करने योग्य हैं। चित्रा 3A एक निष्क्रिय हाइड्रोफिलिक पीटीएफई निस्पंदन झिल्ली की यादृच्छिक संरचना को दिखाता है जिसका उपयोग एक्टूएटर तैयारी के लिए इस प्रोटोकॉल में किया गया था। सभी दिशाओं में इस सामग्री की एकरूपता के अलावा जो लघुकृत एक्टुएटर या जटिल आकार को काटने के लिए फायदेमंद है, नियंत्रित पोरोसिटी के साथ एक वाणिज्यिक निस्पंदन झिल्ली का उपयोग करके किसी भी झिल्ली तैयारी की आवश्यकता को लगभग खत्म करके एक्टूएटर निर्माण प्रक्रिया को और सरल बनाता है। इसके अलावा, झिल्ली मोटाई के रूप में कम के रूप में 30 μm बेहद पहले वर्णित कपड़ा प्रबलित विन्यास में प्राप्त करने के लिए मुश्किल हैं । इसलिए, इस प्रोटोकॉल से पीटीएफई-आधारित एक्टूएटर फैब्रिकेशन विधियों (विकल्प ए और बी) को ज्यादातर मामलों में पसंद किया जाना चाहिए, आगे विचार करते हुए कि विकल्प ए तेज है, लेकिन विकल्प बी शो बड़ा उपभेदों (चित्र4Bमें प्रस्तुत आवृत्ति रेंज में) का उपयोग करके किए गए एक्टुएटर। प्रतिनिधि परिणाम अनुभाग में पेश किए गए नरम तवे को पहले इलेक्ट्रोलाइट में भिगोने वाली पीटीएफई झिल्ली का उपयोग करके भी तैयार किया गया था।
एक कार्यात्मक झिल्ली तैयार किए जाने के बाद, प्रोटोकाल इलेक्ट्रोड तैयार करने और वर्तमान कलेक्टर अटैचमेंट के साथ जारी रहता है। स्प्रे-कोटिंग का उपयोग करके कार्बन-आधारित इलेक्ट्रोड जोड़े जाते हैं – एक औद्योगिक रूप से स्थापित प्रक्रिया जो परिणामी इलेक्ट्रोड परत मोटाई पर उच्च नियंत्रण को सक्षम बनाती है। उदाहरण के लिए, कास्टिंग विधि (या संभवतः अन्य तरल विधियां) की तुलना में स्प्रे कोटिंग के साथ अधिक समान इलेक्ट्रोड का उत्पादन किया जाता है, जहां फिल्म के दौरान कार्बन कणों की तलछट25 सूखने के लिए जानी जाती है। इसके अलावा, प्रस्तुत निर्माण विधि की एक और विशेषता सॉल्वेंट चयन रणनीति में निर्भर करती है जो कपड़ा-प्रबलित झिल्ली के मामले में सबसे महत्वपूर्ण है। अधिक सटीक रूप से, 4-मिथाइल-2-पेंटाटोन (इलेक्ट्रोड निलंबन और गोंद समाधान में सॉल्वेंट) निष्क्रिय झिल्ली सुदृढीकरण या पीवीडीएफ को भंग नहीं करता है जिसका उपयोग कपड़ा-प्रबलित झिल्ली के झिल्ली समाधान में किया जाता है। इसलिए स्प्रे कोटिंग के दौरान कंपोजिट में शॉर्ट-सर्किट हॉटस्पॉट बनाने का खतरा और कम हो जाता है।
कार्बन इलेक्ट्रोड के आवेदन के बाद कैपेसिटिव लेमिनेट पहले से ही सक्रिय है। हालांकि, परिमाण तेजी से एक्टूएटर26 का एक आदेश सोने के वर्तमान कलेक्टरों के आवेदन के साथ प्राप्त कर रहे हैं । प्रोटोकॉल में एक और महत्वपूर्ण कदम वर्तमान कलेक्टरों की लगाव है, जबकि इसी इलेक्ट्रोड फैला हुआ राज्य में है (यानी, समग्र तुला है)। इसलिए, एक्टूलेटर की तटस्थ सपाट स्थिति में, सोने के पत्ते को सबमिलीमीटर स्तर में पकड़े बैठाया जाएगा। यह बफरिंग-बाय-बकलिंग27 दृष्टिकोण बिना किसी जुर्माने (~ 100 एनएम) धातु शीट के लिए संभव होगा, की तुलना में तोड़ने के बिना उच्च विकृतियों को सक्षम बनाता है।
सभी एक्ट्यूएटर विनिर्माण चरण (झिल्ली तैयारी, इलेक्ट्रोड छिड़काव, वर्तमान कलेक्टर अटैचमेंट) को भी चित्रा 2में संक्षेप में शामिल किया गया है। प्रदर्शन लक्षण वर्णन प्रदर्शन के लिए, हमने एक तवे तैयार किया है जो यादृच्छिक सतह बनावट के साथ बेतरतीब ढंग से आकार की वस्तु को पकड़ रहा है, पकड़ रहा है और जारी कर रहा है। सरल ज्यामिति, जैसे आयताकार नमूने जैसे 1:4 या उच्च पहलू अनुपात (उदाहरण के लिए, 4 मिमी से 20 मिमी या यहां तक कि 1 मिमी से 20 मिमी28)सक्रिय सामग्री से काटलें और कैंटिलीवर स्थिति में क्लैंप भी सामग्री लक्षण वर्णन या झुकने-प्रकार के व्यवहार का उपयोग करने वाले अन्य अनुप्रयोगों के लिए बहुत विशिष्ट हैं।
लेख सरल आयताकार एक्टुएटर ज्यामिति का उपयोग करके विशिष्ट आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय कैपेसिटिव सामग्री लक्षण वर्णन और समस्या निवारण तकनीकों में एक संक्षिप्त परिचय के साथ समाप्त होता है। हम दिखाते हैं कि सीक्लिलिक वोल्टेमेट्री (सीवी) और इलेक्ट्रोकेमिकल इम्प्रेसेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस) जैसी सामान्य इलेक्ट्रोकेमिकल लक्षण वर्णन तकनीकों का उपयोग कैसे करें ताकि ऐक्ट्युटर सामग्री को अधिक विस्तार से चित्रित और परेशान किया जा सके। उप-मिलीमीटर स्तर में समग्र का दृश्य स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) का उपयोग किया जाता है, जिसके लिए हम नमूने तैयार करने के लिए क्रायो-फ्रैक्चरिंग तकनीक का उपयोग करते हैं। सामग्री की बहुरूपी प्रकृति सिर्फ नियमित रूप से काटने के साथ स्पष्ट क्रॉस-सेक्शन प्राप्त करना मुश्किल बनाती है। हालांकि, जमे हुए नमूनों को तोड़ने के परिणामस्वरूप अच्छी तरह से परिभाषित क्रॉस-सेक्शन होते हैं।
चित्रा 2: निर्माण प्रक्रिया का अवलोकन। सबसे महत्वपूर्ण कदमों पर प्रकाश डाला जाता है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
हमने विभिन्न एक्टूलेटर अनुप्रयोगों के लिए आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय समग्र तैयारी के लिए एक सरल, तेज, दोहराने योग्य और बहुमुखी निर्माण विधि प्रस्तुत की, और ऊर्जा भंडारण, कटाई33 यासंवेदन 34 अनुप्रयोगों के लिए मामूली संशोधनों के साथ। वर्तमान विधि एक अभिन्न निष्क्रिय और रासायनिक निष्क्रिय घटक (उदाहरण के लिए, एक कपड़ा-प्रबलित बहुलक नेटवर्क या अत्यधिक असुरक्षित टेफ्लॉन झिल्ली के साथ झिल्ली पर केंद्रित है, यह भी चित्रा 3देखें) क्योंकि ऐसी झिल्ली बड़े पैमाने पर एक्टूलेटर तैयारी प्रक्रिया को भी काफी सरल करती है। इसके अलावा, परिणामी झिल्ली में इलेक्ट्रोड निलंबन में सॉल्वैंट्स (या इलेक्ट्रोलाइट) या कई अन्य सामान्य एक्टूएटर निर्माण विधियों और सामग्रियों की तुलना में शॉर्ट-सर्किट हॉटस्पॉट गठन के कारण सूजन और बकसुआ का खतरा कम होता है।
कैपेसिटिव एक्ट्युलेटर लेमिनेट तैयारी में महत्वपूर्ण कदम झिल्ली तैयार करना, इलेक्ट्रोड फैब्रिकेशन, वर्तमान कलेक्टर अटैचमेंट, कटिंग और संपर्क(चित्रा 2)हैं। इनमें से प्रत्येक चरण अनुकूलन और प्रदर्शन अनुकूलन के लिए जगह छोड़देता है, लेकिन गलतियों के लिए भी। निम्नलिखित खंड में हम इस निर्माण विधि के लाभकारी संशोधनों और समस्या निवारण रणनीतियों पर आगे विस्तार से चर्चा करेंगे। कई प्रमुख पहलुओं के परस्पर क्रिया से एक उच्च प्रदर्शन समग्र परिणाम जिन्हें ध्यान में रखने की आवश्यकता है: इलेक्ट्रोड के साथ पर्याप्त इलेक्ट्रॉनिक चालकता (कार्बन इलेक्ट्रोड में सोने के वर्तमान कलेक्टर जोड़ें); झिल्ली के माध्यम से पर्याप्त आयनिक चालकता (एक पतली असुरक्षित झिल्ली और पर्याप्त मात्रा में कम चिपचिपापन इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करें, एक निष्क्रिय बहुलक नेटवर्क का उपयोग करके झिल्ली और इलेक्ट्रोलाइट के बीच प्रतिकूल बातचीत पर जोखिम को कम करें); इलेक्ट्रोड का उच्च सतह क्षेत्र (एक उपयुक्त कार्बन प्रकार का चयन करें); सिलवाया इलेक्ट्रोलाइट्स जो इलेक्ट्रोड की विषम सूजन/संकुचन (एक उपयुक्त इलेक्ट्रोलाइट का चयन) में परिणाम देते हैं; यांत्रिक पैरामीटर (घटकों के युवा मोडुली)। एक उच्च प्रदर्शन कार्बन आधारित एक्टूलेटर के इन मुख्य पहलुओं को भी चित्रा 1Bपर प्रकाश डाला जाता है ।
एक उच्च प्रदर्शन झिल्ली इस समग्र का केंद्रीय हिस्सा है। इसमें दो कार्य हैं: उच्च आयनिक चालकता को सक्षम करते हुए इलेक्ट्रोड के बीच इलेक्ट्रॉन चालकता (शॉर्ट सर्किट) को रोकें। झिल्ली में संशोधन कई उद्देश्यों की सेवा कर सकते हैं, उदाहरण के लिए उपकरण एकीकरण जैसा कि चाहिए एट अल24 द्वारा पेश किया गया है या नए गुणों (जैसे, बायोअनुकूलता, बायोडिग्रेडेबिलिटी या विभिन्न यांत्रिक गुणों) के अलावा। वर्तमान निर्माण विधि को सक्रिय टुकड़े टुकड़े करने के लिए नए गुणों को पेश करने के लिए झिल्ली में अन्य बहुलक और इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करने के लिए संशोधित किया जा सकता है। कपड़ा प्रबलित एक्टूएटर के लिए यहां पेश की गई सॉल्वेंट चयन रणनीति की तरह, झिल्ली तैयारी की तुलना में बाद के इलेक्ट्रोड निर्माण के लिए गरीब सॉल्वैंट्स का चयन करने की सलाह दी जाती है। यह सुनिश्चित करता है कि झिल्ली इलेक्ट्रोड के अलावा के बाद भी कार्यात्मक और बरकरार रहती है।
अंतिम समग्र का एक्चुएशन प्रदर्शन चयनित इलेक्ट्रोड सामग्री (कार्बन), इलेक्ट्रोलाइट और संभवतः एक दूसरे के साथ उनकी अनुकूलता से प्रभावित होता है। यह प्रोटोकॉल बोरोन कार्बाइड व्युत्पन्न कार्बन और 1-एथिल-3-मिथाइमिडिडाजोलियम ट्राइफ्लोरोमेथेम्सल्फोनेट ([ईएमआईएम][ओटीएफ]) आयनिक तरल का उपयोग करके कार्बन-आधारित कैपेसिटिव लेमिनेट के निर्माण का परिचय देता है। हालांकि, यही प्रोटोकॉल अन्य उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र कार्बन सामग्रियों के लिए अनुकूलनीय है, जैसे अन्य स्रोतों से कार्बाइड-व्युत्पन्न कार्बन (जैसे, टीईसी35,एसआईसी या एमओ2सी36),कार्बन नैनोट्यूब8,,37,कार्बन एयरोगेल38 या ग्राफीन39,और अन्य, जैसा कि हाल ही में40की समीक्षा की गई थी। इसके अलावा, एक्टूलेटर तैयारी में अन्य इलेक्ट्रोलाइट्स का भी उपयोग किया जा सकता है। एक कार्यात्मक समग्र प्राप्त करना इस प्रोटोकॉल में प्रस्तुत कार्बन और आयनिक तरल प्रकार तक ही सीमित नहीं है। कार्बन कण का आकार, इलेक्ट्रोड निलंबन में उनके संभावित समूह और निलंबन चिपचिपाहट स्प्रे-कोटिंग प्रक्रिया के लिए अधिक महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं।
यह विधि इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय लेमिनेट सामग्री के उत्पादन को बड़ी मात्रा में प्रजनन योग्य गुणों के साथ सक्षम बनाती है। इस सामग्री से बने एक्टुएटर का लघुकरण मुख्य रूप से उच्च सटीक काटने (जैसे, चित्रा 3 C)का उपयोग करके किया जाता है। स्प्रे-कोटिंग41के दौरान मास्किंग और पैटर्निंग जैसी ठीक संरचनाओं को तैयार करने के वैकल्पिक तरीके संभव हैं। इसके अलावा, मिलीमीटर पैमाने पर संरचनाओं को बाद में सोने के वर्तमान कलेक्टर अटैचमेंट चरण में भी पैटर्न किया जा सकता है। हालांकि, उप मिलीमीटर पैमाने में यह काफी मुश्किल हो सकता है । सोने के वर्तमान कलेक्टरों के बिना अन्य प्रकार के एक्टुएटर या कार्बन-आधारित एक्टुएटर को तैयार करना आसान हो सकता है, यदि पैटर्न योग्य विशेषताएं माइक्रोमीटर पैमाने में होनी चाहिए।
आंतरिक रूप से नरम एक्टुएटर जो विद्युत उत्तेजनाओं का जवाब देते हैं, उनके नरम और आज्ञाकारी प्रकृति, शांत ऑपरेशन और कम आवश्यक वोल्टेज के स्तर के लिए कई फायदे हैं। वर्तमान प्रोटोकॉल से पता चलता है कि कैसे बड़ी मात्रा में और उच्च बैच के साथ इस तरह की सामग्री का उत्पादन करने के लिए बैच और भीतर बैच दोहराव एक्ट्युएशन प्रदर्शन से समझौता किए बिना । वर्तमान विधि में संशोधन ों को और अधिक जैव के अनुकूल और संभवतः जैव-डिग्रेडेबल घटकों को भी शामिल किया गया है जो सफल कुल एनकैप्सुलेशन दृष्टिकोण के अलावा जीवित जीवों के ऑपरेशन को सक्षम करेंगे, और भविष्य के लिए नरम रोबोटिक या बायोमेडिकल उपकरणों में पेश की गई सक्रिय सामग्री के एकीकरण की कल्पना की गई है।
The authors have nothing to disclose.
लेखक सहायक चर्चाओं के लिए फिलिप्स रिसर्च से रॉन होवेनकामप और मार्सेल मुल्डर का शुक्रिया अदा करना चाहेंगे । इस काम को आंशिक रूप से एस्टोनियाई शिक्षा और अनुसंधान मंत्रालय के संस्थागत अनुसंधान वित्तपोषण IUT (IUT 20-24) द्वारा समर्थित किया गया था, एस्टोनियाई अनुसंधान परिषद अनुदान (PUT1696), यूरोपीय क्षेत्रीय विकास कोष द्वारा, कार्यक्रम मोबिलिटाप्लस (अनुदान नहीं MOBTP47) द्वारा, यूरोपीय संघ के क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम द्वारा मैरी Skłodowska-क्यूरी अनुदान समझौते नहीं 793377 (BIOACT) के तहत, और परियोजना इम्पैक्ट-एमआईआई द्वारा , एक ईआईटी स्वास्थ्य नवाचार परियोजना। EIT स्वास्थ्य EIT, यूरोपीय संघ के एक शरीर द्वारा समर्थित है ।
~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 |