Illustration du processus de concentration électrophorétique pour créer un film UNDE. (A) Les BNNS dispersés dans une solution de monomère élastomère diélectrique sont attirés vers la surface de l'électrode positive par un processus de concentration électrophorétique. (B) Une configuration pour étudier la cinétique du processus de concentration électrophorétique :une source de lumière et un photodétecteur sont placés sur les côtés opposés d'une chambre de cuvette où la concentration électrophorétique de BNNS a lieu. (C) Images en niveaux de gris de la chambre de la cuvette prises par le photodétecteur à un temps écoulé spécifié du processus électrophorétique. Le champ électrique appliqué est de 4 MV/m constant. (D) Valeur de niveaux de gris enregistrée par rapport au temps électrophorétique au champ électrique spécifié. La valeur en niveaux de gris est prise comme la valeur moyenne le long de la ligne pointillée indiquée en (C). Les flèches numérotées indiquent le temps les images en (C). Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm6200
Les actionneurs en élastomère diélectrique (DEA) peuvent subir de grandes déformations réversibles dans le plan. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Junhong Pu et une équipe de scientifiques de la recherche sur les matériaux souples et de la science des polymères à l'Université de Californie, Los Angeles, États-Unis, et à l'Université du Sichuan, Chine, ont introduit un processus électrophorétique pour concentrer la dispersion de nanofeuilles de nitrure de bore dans une solution de précurseur d'élastomère diélectrique sur un surface d'électrode sélectionnée. L'équipe a obtenu un élastomère diélectrique nanocomposite unimorphe abrégé UNDE avec une structure bicouche sans soudure contenant 13 fois la différence de module. L'équipe a pu activer la construction UNDE à de grandes courbures de flexion avec une durabilité améliorée par rapport aux élastomères diélectriques nanocomposites conventionnels. Ils ont disposé plusieurs unités UNDE dans un simple processus de concentration électrophorétique utilisant des zones d'électrodes à motifs; puis, en utilisant l'actionneur, ils ont développé un moteur de lentille à grande vitesse avec une distance focale variable pour former un système optique à deux lentilles.
Élastomères diélectriques nanocomposites unimorphes (UNDE)
Les élastomères diélectriques sont une classe de polymères électroactifs qui peuvent transduire de l'énergie électromécanique via un mécanisme de contrainte électrostatique, en réponse à une tension appliquée. Les matériaux se caractérisent par leur grande déformation et leur haute densité d'énergie et ont suscité un énorme intérêt au cours de la dernière décennie pour des applications telles que les muscles artificiels et la robotique douce. Les élastomères acryliques sont intéressants en raison de la plus grande contrainte d'actionnement qu'ils présentent et de la procédure de pré-étirement impliquée lors de la fabrication. Les scientifiques des matériaux visent à éviter le processus de pré-étirement avec des élastomères acryliques en introduisant un deuxième réseau de polymères interpénétrés et une modification chimique pour obtenir de grandes contraintes d'actionnement sans pré-étirement. Dans ce travail, Pu et al. introduit une approche électrophorétique suivie d'une réticulation in situ pour fabriquer un élastomère diélectrique nanocomposite unimorphe sans interface constitué de nanofeuilles de nitrure de bore localement concentrées (BNNS). L'équipe a utilisé le processus électrophorétique pour produire de multiples unités unimorphes fonctionnelles dans un film DEA monolithique en forme de disque grâce à la structuration personnalisée des électrodes. Ils ont fait varier la contrainte d'actionnement avec la tension appliquée sans dégradation des matériaux et l'actionneur compact a produit un actionnement linéaire important pour une utilisation en tant que moteur d'objectif à entraînement direct, pour les systèmes de zoom optique.
Pu et al. développé les films UNDE (élastomère diélectrique nanocomposite Unimorph) avec des BNNS (nanites de nitrure de bore) hautement concentrés sur une surface par électrophorèse. Les nanofeuilles de nitrure de bore sont couramment utilisées comme charge diélectrique pour améliorer la résistance diélectrique et peuvent être dispersées dans un élastomère diélectrique pour former une suspension colloïdale. L'équipe a injecté la dispersion entre deux électrodes parallèles avec un champ de courant continu appliqué entre elles. Comme le BNNS était chargé négativement, les matériaux étaient attirés vers la surface de l'électrode positive. L'équipe a durci le précurseur par exposition aux ultraviolets et formé une structure bicouche continue. Ils ont imagé le processus à l'aide d'un faisceau lumineux traversant la chambre de la cuvette pendant l'électrophorèse. Après avoir développé la structure de l'UEDN, Pu et al. ont utilisé des images de microscopie électronique à balayage pour observer les caractéristiques des élastomères diélectriques nanocomposites conventionnels comme matériau de contrôle, et l'UNDE avec 3 % de BNNS dans sa composition. L'équipe a noté des courbures de flexion plus petites pour le film UNDE avec BNNS concentré sur la couche supérieure, par rapport à la couche inférieure. Les travaux ont indiqué une rigidité plus élevée pour les couches concentrées en BNNS par rapport à celles avec des concentrations appauvries. Les scientifiques ont exploré les matériaux optimisés pour obtenir un actionnement de liaison en appliquant une haute tension à travers le film UNDE. Après application d'un champ électrique, les deux couches de la construction ont subi des contraintes de compression uniformes sous des cycles de flexion et de récupération.
Actionnement des actionneurs UNDE (élastomère diélectrique nanocomposite unimorphe)
L'équipe de recherche a analysé l'actionnement de liaison de l'UNDE à 3 % en poids, en forme de trapèze et a noté comment les actionneurs en élastomère diélectrique fonctionnaient de manière unidirectionnelle par rapport aux champs électriques appliqués sur toute son épaisseur. Par exemple, à une intensité de champ de 28 MV/m, l'équipe a obtenu une courbure de liaison de 4,4 cm -1 pour créer une structure presque en boucle fermée. Ils ont noté la dépendance spécifique de la courbure de liaison sur l'intensité du champ électrique où l'UNDE avec des concentrations de nanofeuilles de nitrure de bore plus élevées nécessitait une intensité de champ électrique plus élevée pour obtenir la même courbure de flexion, en raison d'une rigidité accrue. L'équipe a équipé les processus d'actionnement et de récupération d'une réponse exponentielle et a attribué la réponse rapide des actionneurs en élastomère diélectrique de flexion à la conversion directe de l'énergie électrique en travail mécanique. La courbure de liaison a indiqué un compromis entre une grande courbure de flexion et une fréquence de fonctionnement élevée. La nature sans interface entre les nanofeuilles passives de nitrure de bore et la couche d'élastomère diélectrique actif offrait aux actionneurs UNDE des performances de liaison non destructives après un pliage à 180 degrés.
Caractérisation structurale et mécanisme de flexion du film UNDE. (A) Illustration de la section transversale d'un film UNDE, avec la couche concentrée en BNNS dans sa surface supérieure. (B) Images SEM de la section transversale de UNDE avec 3 % en poids de BNNS à deux grossissements différents. (C) Images optiques de (i) vue de dessus du film UNDE avec 3% en poids de BNNS posé sur un banc et (ii) vue latérale du film plaqué à une extrémité avec la couche concentrée en BNNS sur le dessus et (iii) sur fond. (D) Module de Young et (E) Distribution de Weibull de l'intensité du champ de claquage d'un élastomère pur et CNDE et UNDE avec différentes teneurs en BNNS. (F) Actionnement de flexion du film UNDE vers la surface avec du BNNS concentré en réponse à l'application de tension et à la reprise de sa forme d'origine lorsque la tension est supprimée. (G) Images optiques de la vue latérale des 3 wt % UNDE pendant un cycle d'actionnement (onde carrée avec un champ électrique de crête de 19 MV/m à 5 Hz). Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm6200
Applications des actionneurs en élastomère diélectrique
L'équipe a adopté le processus de fabrication UNDE pour former plusieurs unimorphes accessibles individuellement dans un film monolithique. Pu et al. utilisé des actionneurs en élastomère diélectrique en forme de disque comme objectif moteur autonome pour repositionner directement un élément optique et modifier la distance focale d'un système d'objectif zoom compact et adaptatif sur une large plage. À l'aide du système de zoom à deux objectifs, ils ont augmenté la distance entre les deux objectifs pour réduire la distance par rapport à la distance focale du système et faciliter la projection d'objets de distances de travail éloignées à proches, sur le même plan. Par rapport à la technologie de lentille liquide accordable, le système de zoom optique à actionneur linéaire a permis d'obtenir une plus grande capacité de réglage de la distance focale, souhaitable pour les endoscopes, les caméras de smartphone, la réalité virtuelle et la vision artificielle.
Structure d'un DEA linéaire en forme de disque et ses performances d'actionnement. (A) Une illustration d'un processus de concentration électrophorétique localisé et du film monolithique en forme de disque fabriqué avec six secteurs concentrés en BNNS alternativement placés sur les surfaces supérieure et inférieure ; la distribution transversale du BNNS dans la structure le long de la ligne pointillée (a-b-c) est indiquée en bas. (B) Résultats d'analyse par éléments finis sur l'actionnement d'un unimorphe et d'un film en forme de disque avec six unimorphes. (i) Un unimorphe en forme de secteur annulaire unique avec BNNS concentré sur la surface supérieure se plie vers le haut sous un champ électrique appliqué. (ii) Un modèle simplifié du film monolithique en forme de disque illustré en (A), avec BNNS alternativement concentré sur les surfaces supérieure (t) et inférieure (b). (iii) et (iv) montrent les traits de modèle simplifiés vers le haut et vers le bas via l'application de champs électriques dans les régions t et b, respectivement. (C) Un schéma de principe de fonctionnement d'un DEA linéaire en forme de disque. En appliquant séparément une tension à différentes sections d'actionneur, une course bidirectionnelle linéaire peut être générée sur le bord intérieur de l'actionneur. (D) Course bidirectionnelle tracée par rapport au champ électrique. (E) Force de blocage d'un DEA linéaire en forme de disque généré sous différentes intensités de champ électrique. (F) Course bidirectionnelle sous actionnement d'onde carrée à 1, 2, 5 et 10 Hz avec un champ électrique de crête de 19 MV/m. Des vues agrandies de plusieurs cycles d'actionnement sous 1 et 10 Hz sont présentées en bas. (G) Courbure normalisée d'un DEA unimorphe de flexion et course d'un DEA linéaire en forme de disque composé de six unités unimorphes sous un champ électrique de crête de 19 MV/m à différentes fréquences d'actionnement. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm6200
Un système de zoom optique entraîné par le DEA linéaire en forme de disque (moteur d'objectif). (A) Mécanisme d'un système de zoom optique composé d'une lentille convexe (L1) et d'une lentille concave (L2). La distance focale et la distance de travail du système changent lorsque L1 passe de S à S'. (B) Images à double exposition montrant une lentille convexe (CAW110, Ø6,28 mm, 0,05 g) entraînée linéairement par un moteur de lentille en appliquant un champ électrique de 24 MV/m. La lentille est montée sur le bord intérieur du moteur via une bande de papier prédéfinie. (C) Distance de course d'un moteur de lentille sans et avec la lentille convexe montée sur le bord intérieur. Course bidirectionnelle sous actionnement par onde carrée à 1, 2, 5 et 10 Hz avec un champ électrique de crête de 24 MV/m. (D) À gauche, images photographiques montrant le système de zoom et des objets à différentes distances ; à droite, images photographiques capturées par le système de zoom optique à deux focales différentes. (E) Variation de la distance focale en fonction de la distance initiale entre les deux lentilles et du champ électrique appliqué. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm6200
De cette façon, Junhong Pu et ses collègues ont développé une nouvelle méthode pour mettre en œuvre des configurations unimorphes dans un film élastomère diélectrique monolithique par électrophorèse. La méthode a facilité la concentration de nanocharges de nanofeuilles de nitrure de bore (BNNS) dans des monomères pour former un élastomère diélectrique nanocomposite unimorphe sans interface (UNDE). L'équipe a créé plusieurs unités de l'UEDN au cours de l'étude en affectant les concentrations de BNNS aux surfaces. Les actionneurs élastomères diélectriques linéaires résultants peuvent être optimisés en tant que matériaux prometteurs pour la vision robotique artificielle en raison de leur nature personnalisable et évolutive.
© 2022 Réseau Science X Muscle artificiel pour robotique douce :basse tension, grands espoirs
