Untethered manipulation of electroactive polymer-actuator for soft robotics

Abstract

이온성 고분자 금속 복합체는 지난 10년 동안 연성 로봇학 분야에서 광범위한 관심을 받아온 전기활성 고분자의 일종입니다. 이는 낮은 입력 전압과 큰 변위와 같은 유리한 특성들로 인해 잘 알려져 왔습니다. 하지만 높은 히스테레시스, 복원, 그리고 전원 공급 제약 등의 치명적 단점들 때문에 미세 영역에서의 보편적적용이 제한되어 왔습니다. 따라서 이 연구는 원격 전기장을 이용하여 이온성 고분자 막의 벤딩 변형을 통해 이러한 단점들을 극복하고자 하였습니다. 매개변수화 연구를 수행하여 제안된 구동기에 의해 발생된 변위와 힘을 특성화하였습니다. 또한, 고전하도 밀도가 높은 이온을 고분자에 결합함으로써 큰 성능 개선을 확인하였습니다. 예를 들어, 이온 흡수 막에 의해 발생되는 끝부위 힘은 이온을 흡수하지 않은 이오노머보다 최소 2배 이상 증가하였으며, 응답 속도는 최소 3배 증가하였습니다. 이 제안된 구동기는 두 가지 소프트 로봇 응용분야에 적용되었습니다. 첫째, 픽 앤 플레이 동작을 시연할 수 있는 이온성 고분자 구동기를 갖춘 마이크로 그리퍼가 개발되었습니다. 이 마이크로 그리퍼는 지름이 1mm에서 3mm로 다양한 물체를 잡고 놓을 수 있습니다. 또한, 복잡한 경로를 따라 이동할 수 있는 마이크로 로봇 어류가 시연되었습니다. 이 마이크로 로봇은 꼬리를 사용하면 최대 0.42 Bl/s의 속도로 이동할 수 있으며, 꼬리를 사용하지 않으면 최대 0.96 Bl/s의 속도로 이동할 수 있습니다. 이 구동기의 소프트 로봇학 분야에서의 잠재력은 매우 크며, 의료 분야와 치료용 약물 전달 및 생물학적 시료 조작을 위한 랩온칩 시스템에서도 사용될 것으로 예상됩니다.

Ionic polymer metal composites are a type of Electroactive polymer that has received extensive attention over the past decade in soft robotics. This is attributed to favorable characteristics such as low input voltage and large displacement. However, critical drawbacks such as high hysteresis, back relaxation, and tethered power supply have limited their widespread usage in the micron domain. Thus the study aims to overcome these drawbacks by creating bending deformation of the ionic polymer membrane using a remote electric field. Parametrization study was performed to characterize the displacement and force developed by the proposed actuator. In addition, by incorporating a high charge-density ion into the polymer the performance is significantly improved. For instance, the tip force exerted by the ion-absorbed membrane increased by at least two times whereas the response speed increased by three times compared to the non-absorbed ionomer. The proposed actuator was applied to two soft robotic applications. First, micro gripper with ionic polymer actuator that could demonstrate pick and place operation is developed. The micro gripper could grip and release objects varying from 1 to 3 mm in diameter. Besides micro robotic fish that could be manipulated to traverse complex path is demonstrated. The micro robot could achieve speeds up to 0.42 Bl/s with tail and 0.96 Bl/s without tail. The proposed actuator is anticipated to have huge potential in the field of soft robotics. We further envision its usage in the biomedical field and lab-on-chip systems for therapeutic drug delivery and manipulation of biological specimens.