Fabrication of Ionic Polymer Metal Composite (IPMC) Microgripper

Abstract

Electroactive polymers (EAPs) have been studied as materials for soft, lightweight and durable artificial muscles. Such materials can be used as an alternative to conventional mechanical systems in environments that deal with small, fragile objects and require accurate position control. Ionic polymer metal composite (IPMC) is one of the promising actuator materials because of its large strain, high work density, and low driving voltage. However, it is difficult to process and drive a micro-structured IPMC actuator for handling small objects. This paper presents design and fabrication method for an unprecedented IPMC microgripper. First, a micro-structured IPMC strip is fabricated by laser beam machining, and its actuation characteristics depending on the geometry is analyzed. A hand-shaped design of 500 um wide and 3 mm long is determined for the microgripper. The gripper is able to capture objects within 0.5 seconds, with each segment facing each other and interlocking fingers. In this way, objects with a diameter of 2 mm and up to 1.01 g can be held through the 4-finger IPMC microgripper. Applications of the gripper are validated by grasping small, irregular-shaped objects such as starfish-shaped acrylic stones and even fruit flies.

전기활성 고분자 (EAP)는 부드럽고 가볍고 내구성이 있는 인공 근육의 재료로 연구되어 왔다. 이러한 재료는 작고 취약한 물체를 다루며 정확한 위치 제어가 필요한 환경에서 전통적 기계 시스템에 대한 대안으로 사용될 수 있다. 이온성 폴리머-금속 복합재료 (IPMC)는 변형률이 크고 에너지 밀도가 높으며 구동 전압이 낮아 유망한 구동기 소재 중 하나이다. 그러나 작은 물체를 다루기 위한 마이크로 IPMC 구동기를 설계하고 구동하기는 어렵다. 본 논문은 전례 없는 IPMC 마이크로그리퍼를 제안 및 평가하였다. 미세 구조의 IPMC 구동기는 레이저 빔을 통해 가공되었고, 그 형상의 변화에 따른 작동 특성을 분석하였다. 그 결과 너비 500um, 길이 3mm의 구동부를 가진 손 모양 설계가 결정되었다. IPMC 마이크로그리퍼는 각 세그먼트가 서로 마주보고 손가락을 맞물리게 하여 0.5초 이내에 물체를 잡을 수 있다. 4손가락 IPMC 마이크로그리퍼를 통해 최소 직경 2mm, 그리고 최대 무게 1.01g의 물체를 잡을 수 있었다. 제안한 그리퍼는 초파리나 불가사리 모양의 아크릴 스톤과 같이 작고 불규칙한 모양의 물체를 다룰 수 있어, 생물학 및 다양한 분야에서의 활용이 기대된다.