Ilustración del proceso de concentración electroforética para crear una película UNDE. (A) Los BNNS dispersos en una solución de monómero de elastómero dieléctrico son atraídos por la superficie del electrodo positivo a través de un proceso de concentración electroforética. (B) Una configuración para estudiar la cinética del proceso de concentración electroforética:una fuente de luz y un fotodetector se colocan en lados opuestos de una cámara de cubeta donde tiene lugar la concentración electroforética de BNNS. (C) Imágenes en escala de grises de la cámara de la cubeta tomadas por el fotodetector en el tiempo transcurrido especificado del proceso electroforético. El campo eléctrico aplicado es de 4 MV/m constante. (D) Valor de escala de grises registrado frente al tiempo electroforético en el campo eléctrico especificado. El valor de la escala de grises se toma como el valor promedio a lo largo de la línea discontinua que se muestra en (C). Las flechas numeradas indican el tiempo de las imágenes en (C). Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
Los actuadores de elastómero dieléctrico (DEA) pueden sufrir una gran deformación reversible en el plano. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Junhong Pu y un equipo de científicos en investigación de materiales blandos y ciencia de polímeros de la Universidad de California, Los Ángeles, EE. UU., y la Universidad de Sichuan, China, introdujeron un proceso electroforético para concentrar la dispersión de nanoláminas de nitruro de boro en una solución precursora de elastómero dieléctrico en una superficie del electrodo seleccionado. El equipo obtuvo un elastómero dieléctrico nanocompuesto unimorfo, abreviado UNDE, con una estructura bicapa sin fisuras que contenía 13 veces la diferencia de módulo. El equipo pudo accionar la construcción UNDE a grandes curvaturas de flexión con una mayor durabilidad en comparación con los elastómeros dieléctricos de nanocompuestos convencionales. Organizaron varias unidades UNDE en un proceso de concentración electroforética simple utilizando áreas de electrodos estampadas; luego, utilizando el actuador, desarrollaron un motor de lente de alta velocidad con distancia focal variable para formar un sistema óptico de dos lentes.
Elastómeros dieléctricos nanocompuestos Unimorph (UNDE)
Los elastómeros dieléctricos son una clase de polímeros electroactivos que pueden transducir energía electromecánica a través de un mecanismo de tensión electrostática, en respuesta a un voltaje aplicado. Los materiales se caracterizan por su gran tensión y alta densidad de energía y han atraído un gran interés en la última década para aplicaciones como músculos artificiales y robótica blanda. Los elastómeros acrílicos son de interés debido a la mayor tensión de actuación que exhiben y al procedimiento de preestiramiento involucrado durante la fabricación. Los científicos de materiales pretenden evitar el proceso de estiramiento previo con elastómeros acrílicos mediante la introducción de una segunda red de polímero interpenetrante y una modificación química para lograr grandes tensiones de actuación sin estiramiento previo. En este trabajo, Pu et al. introdujo un enfoque electroforético seguido de reticulación in situ para fabricar un elastómero dieléctrico nanocompuesto unimorfo sin interfaz hecho de nanoláminas de nitruro de boro concentradas localmente (BNNS). El equipo utilizó el proceso electroforético para producir múltiples unidades unimorfas funcionales en una película DEA monolítica en forma de disco a través de patrones de electrodos personalizados. Variaron la tensión de actuación con el voltaje aplicado sin degradación de los materiales y el actuador compacto produjo una gran actuación lineal para usar como motor de lente de accionamiento directo, para sistemas de zoom óptico.
Pu et al. desarrolló las películas UNDE (Unimorph nanocomposite dielectric elastomer) con BNNS (nanoláminas de nitruro de boro) altamente concentradas en una superficie mediante electroforesis. Las nanoláminas de nitruro de boro se usan comúnmente como relleno dieléctrico para mejorar la resistencia dieléctrica y se pueden dispersar en un elastómero dieléctrico para formar una suspensión coloidal. El equipo inyectó la dispersión entre dos electrodos paralelos con un campo de corriente continua aplicado entre ellos. Dado que el BNNS estaba cargado negativamente, los materiales fueron atraídos hacia la superficie del electrodo positivo. El equipo curó el precursor mediante exposición ultravioleta y formó una estructura bicapa continua. Obtuvieron imágenes del proceso utilizando un haz de luz que pasó a través de la cámara de la cubeta durante la electroforesis. Después de desarrollar la estructura UNDE, Pu et al. utilizó imágenes de microscopía electrónica de barrido para observar las características de los elastómeros dieléctricos nanocompuestos convencionales como material de control, y la UNDE con un 3 por ciento de BNNS en su composición. El equipo notó curvaturas de flexión más pequeñas para la película UNDE con BNNS concentrado en la capa superior, en comparación con la capa inferior. El trabajo indicó una mayor rigidez para las capas concentradas en BNNS en comparación con aquellas con concentraciones reducidas. Los científicos exploraron los materiales optimizados para obtener una actuación vinculante mediante la aplicación de un alto voltaje a través de la película UNDE. Después de aplicar un campo eléctrico, las dos capas de la construcción experimentaron tensiones de compresión uniformes bajo ciclos de flexión y recuperación.
Actuación de actuadores UNDE (elastómero dieléctrico nanocompuesto unimorfo)
El equipo de investigación analizó la actuación vinculante de UNDE al 3 por ciento en peso, en forma de trapezoide, y observó cómo los actuadores de elastómero dieléctrico funcionaban de manera vinculante unidireccional en relación con los campos eléctricos aplicados a lo largo de su espesor. Por ejemplo, a una intensidad de campo de 28 MV/m, el equipo obtuvo una curvatura de unión de 4,4 cm -1 para crear una estructura casi de circuito cerrado. Señalaron la dependencia específica de la curvatura de unión en la intensidad del campo eléctrico donde UNDE con concentraciones más altas de nanoláminas de nitruro de boro requería una mayor intensidad de campo eléctrico para lograr la misma curvatura de flexión, debido a una mayor rigidez. El equipo ajustó los procesos de activación y recuperación con una respuesta exponencial y atribuyó la rápida respuesta de los actuadores de elastómero dieléctrico de flexión a la conversión de energía directa de electricidad a trabajo mecánico. La curvatura de unión indicó un equilibrio entre una gran curvatura de flexión y una alta frecuencia de operación. La naturaleza libre de interfaz entre las nanoláminas de nitruro de boro pasivo y la capa de elastómero dieléctrico activo ofreció a los actuadores UNDE un rendimiento de unión no destructivo después de un plegado de 180 grados.
Caracterización estructural y mecanismo de flexión de la película UNDE. (A) Ilustración de la sección transversal de una película UNDE, con la capa concentrada de BNNS en su superficie superior. (B) Imágenes SEM de la sección transversal de UNDE con BNNS al 3% en peso con dos aumentos diferentes. (C) Imágenes ópticas de (i) vista superior de la película UNDE con BNNS al 3% en peso colocada sobre un banco y (ii) vista lateral de la película colocada en un extremo con la capa concentrada de BNNS en la parte superior y (iii) en abajo. (D) Módulo de Young y (E) Distribución de Weibull de la fuerza de campo de ruptura de un elastómero puro y CNDE y UNDE con diferentes contenidos de BNNS. (F) Actuación de flexión de la película UNDE hacia la superficie con BNNS concentrado en respuesta a la aplicación de voltaje y recuperación a la forma original cuando se elimina el voltaje. (G) Imágenes ópticas de la vista lateral de la UNDE al 3 % en peso durante un ciclo de actuación (onda cuadrada con un campo eléctrico pico de 19 MV/m a 5 Hz). Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
Aplicaciones de los actuadores de elastómero dieléctrico
El equipo adoptó el proceso de fabricación UNDE para formar múltiples monomorfos accesibles individualmente dentro de una película monolítica. Pu et al. Usó actuadores de elastómero dieléctrico en forma de disco como una lente de motor autónoma para reposicionar directamente un elemento óptico y cambiar la distancia focal de un sistema de lente de zoom adaptable y compacto en una amplia gama. Usando el sistema de zoom de dos lentes, aumentaron la distancia entre las dos lentes para disminuir la distancia desde la distancia focal del sistema y facilitar la proyección de objetos desde distancias de trabajo lejanas a cercanas, en el mismo plano. En comparación con la tecnología de lentes líquidas sintonizables, el sistema de zoom óptico accionado por actuador lineal logró una mayor capacidad de ajuste de distancia focal, deseable para endoscopios, cámaras de teléfonos inteligentes, realidad virtual y visión artificial.
Estructura de un DEA lineal en forma de disco y su rendimiento de actuación. (A) Una ilustración de un proceso de concentración electroforética localizada y la película monolítica en forma de disco fabricada con seis sectores concentrados en BNNS colocados alternativamente en las superficies superior e inferior; La distribución transversal de BNNS dentro de la estructura a lo largo de la línea discontinua (a-b-c) se muestra en la parte inferior. (B) Resultados del análisis de elementos finitos sobre la actuación de un monomorfo y una película en forma de disco con seis monomorfos. (i) Un monomorfo con forma de sector anular único con BNNS concentrado en la superficie superior se dobla hacia arriba bajo un campo eléctrico aplicado. (ii) Un modelo simplificado de la película monolítica en forma de disco que se muestra en (A), con BNNS concentrado alternativamente en las superficies superior (t) e inferior (b). (iii) y (iv) muestran los trazos del modelo simplificado hacia arriba y hacia abajo mediante la aplicación de campos eléctricos en las regiones t y b, respectivamente. (C) Un diagrama de principio de funcionamiento de un DEA lineal en forma de disco. Al aplicar un voltaje por separado a diferentes secciones del actuador, se puede generar una carrera bidireccional lineal en el borde interior del actuador. (D) Trazo bidireccional representado frente al campo eléctrico. (E) Fuerza de bloqueo de un DEA lineal en forma de disco generado bajo diferentes intensidades de campo eléctrico. (F) Carrera bidireccional bajo activación de onda cuadrada a 1, 2, 5 y 10 Hz con un campo eléctrico máximo de 19 MV/m. En la parte inferior se muestran vistas ampliadas de varios ciclos de actuación por debajo de 1 y 10 Hz. (G) Curvatura normalizada de un DEA unimorfo de flexión y carrera de un DEA lineal en forma de disco que consta de seis unidades unimorfas bajo un campo eléctrico máximo de 19 MV/m a diferentes frecuencias de actuación. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
Un sistema de zoom óptico impulsado por el DEA (motor de lente) lineal en forma de disco. (A) Mecanismo de un sistema de zoom óptico compuesto por una lente convexa (L1) y una lente cóncava (L2). La distancia focal y la distancia de trabajo del sistema cambian a medida que L1 se mueve de S a S′. (B) Imágenes de doble exposición que muestran una lente convexa (CAW110, Ø6,28 mm, 0,05 g) impulsada linealmente por un motor de lente mediante la aplicación de un campo eléctrico de 24 MV/m. La lente se monta en el borde interior del motor mediante una cinta de papel predefinida. (C) Distancia de carrera de un motor de lente sin y con la lente convexa montada en el borde interior. Carrera bidireccional bajo activación de onda cuadrada a 1, 2, 5 y 10 Hz con un campo eléctrico pico de 24 MV/m. (D) Izquierda, imágenes fotográficas que muestran el sistema de zoom y objetos a diferentes distancias; a la derecha, imágenes fotográficas capturadas por el sistema de zoom óptico en dos distancias focales diferentes. (E) Variación de la distancia focal en función de la distancia inicial entre las dos lentes y el campo eléctrico aplicado. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
De esta forma, Junhong Pu y sus colegas desarrollaron un nuevo método para implementar configuraciones unimorfas en una película monolítica de elastómero dieléctrico mediante electroforesis. El método facilitó la concentración de nanorrellenos de nanoláminas de nitruro de boro (BNNS) en monómeros para formar un elastómero dieléctrico nanocompuesto unimorfo sin interfaz (UNDE). El equipo creó varias unidades UNDE durante el estudio al designar concentraciones de BNNS en áreas de superficie. Los actuadores de elastómero dieléctrico lineal resultantes se pueden optimizar como materiales prometedores para la visión robótica artificial debido a su naturaleza personalizable y escalable.
© 2022 Red Ciencia X Músculo artificial para robótica blanda:bajo voltaje, grandes esperanzas
