エレクトロスピニングファイバーネットワークに基づく人工筋肉の直接および遠隔誘発作動

Jan 20, 2024

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13084 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

今回の研究では、薄いポリジメチルシロキサン (PDMS) フィルムに取り付けられた、金属で覆われたナイロン 6/6 マイクロメートル繊維のウェブに基づく軟質人工筋肉の新しい構成を報告します。 準備プロセスは単純で、加熱および圧縮を加えながら金属化繊維ネットワークを PDMS シート基板に取り付けることを意味します。 得られる複合材料は多用途であり、求められる用途に応じてさまざまな形状に切断できます。 電流が金属ウェブを通過すると熱が発生し、局所的な膨張とその後の制御された変形が引き起こされます。 このため、比較的低い電圧 (2.2 V) を印加すると、人工筋肉は高速かつ十分な動き (最大変位 0.8 cm) を示します。これは、PDMS 基板とウェブの熱膨張係数間のコントラストの結果です。電極のようなもの。 この効果を生み出す電流は、直接の電気接触と、非接続構成、つまり高周波誘導の両方から発生する可能性があることが示されています。 通常、熱活性アクチュエータの場合、金属フィルムまたは導電性カーボンベースの材料を使用して加熱が行われますが、ここではマイクロファイバーベースのヒーターを使用して高速加熱/冷却プロセスが得られます。 アンテザードデバイスに対するこの新しいアプローチは、たどるべき興味深い道であり、自律作動やエネルギーの遠隔転送が必要な幅広い用途が開かれます。

人工筋肉を扱う研究分野は、過去 10 年間に着実に進化しました。 関心の高まりは、ロボット工学 (最近では動物のような柔らかいロボットに対する熱心な探求が行われています) や医療/ヘルスケア機器 1、2、3、4、5、6、7 などの応用分野の開発によって加速されています。 このようなコンポーネントの新しい改良されたタイプが開発され、文献で報告されており、利用される作動プロセスは広範囲の物理的および化学的現象に基づいています。 電気化学的に制御される導電性ポリマーの筋肉から、空気圧または熱で活性化される筋肉に至るまで、能力が継続的に向上していることに注目するのは簡単です8、9、10、11、12、13、14。 しかし、機能と効率の観点から、一方の生体筋肉、もう一方の機械、電気機械、または空気圧モーターのいずれかで同様の出力を達成するまでには、まだ長い道のりがあります。 この分野では、作動機構と材料の種類または組み合わせの両方における改善が常に報告されています。 導電性または圧電ポリマー、エラストマー、形状記憶合金など、さまざまな材料が研究されており、それぞれに特定の作動モード、利点、欠点があります15、16、17、18、19、20、21、22。

電気化学的に誘発された構造変化、圧電性、熱特性、またはその他の固有の特性が、作動を達成するために利用されます。 誘電エラストマーは、高い弾性、軽量、印加電場に対する機械的応答などの特性により、柔らかい人工筋肉を製造するのに好まれます。 しかしながら、作動に比較的高い電圧が必要であること、および高機能を達成するために同様の柔軟性を有する電極を使用する必要があることにより、問題が生じる。

カーボン ナノチューブやグラフェンなどの微細な粒子や構造を含む複合材料の採用は、特性の向上や新しい機能を実現するために広く使用される手段となりました 2,23,24,25。 アオラーゲら。 は、比較的高い電圧が印加された場合に得られる約 350°C の温度で重要な曲げ角 (約 200°) を示す PDMS/カーボン ナノチューブ複合膜に基づく電熱アクチュエータを提案しました 26。 ただし、アクチュエータが初期形状に戻るまでには長い時間がかかります (約 150 秒)。 同様に、Sun et al. は、12 V27 の印加電圧で約 540°まで曲げることができる、カーボン ナノチューブと PDMS に基づく電熱アクチュエータの製造を報告しました。 このアクチュエータも定常状態の曲げ角度 (130 秒) に達するまでに長い時間がかかります。 ヤオら。 は、PDMS と銀ナノワイヤ (AgNws) をベースにした、4.5 V28 の低い印加電圧で 30 mm 曲がるバイモルフ アクチュエータを開発しました。 ただし、アクチュエータが最大変位量に達し (約 40 秒)、初期位置に戻るまで (約 60 秒) に比較的長い時間がかかります。 胡ら。 は、グラフェン スポンジと PDMS に基づく別のバイモルフ アクチュエータを提案しました。このアクチュエータは、10 V29 という比較的低い印加電圧で比較的長時間 (60 秒) で最大曲げ 12 mm に達します。