전기방사 섬유 네트워크를 기반으로 한 인공 근육의 직접 및 원격 유도 작동

Jan 20, 2024

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13084(2022) 이 기사 인용

1063 액세스

측정항목 세부정보

본 연구에서는 얇은 폴리디메틸실록산(PDMS) 필름에 부착된 금속으로 덮인 나일론 6/6 마이크로미터 섬유 웹을 기반으로 한 연질 인공 근육의 새로운 구성을 보고합니다. 준비 과정은 간단하며 가열 및 압축을 가하는 동안 금속화된 섬유 네트워크를 PDMS 시트 기판에 부착하는 것을 의미합니다. 생성된 복합재는 다목적이며 원하는 용도에 따라 다양한 모양으로 절단될 수 있습니다. 전류가 금속 웹을 통과하면 열이 발생하여 국부적 팽창과 그에 따른 제어된 변형이 발생합니다. 이로 인해 인공 근육은 상대적으로 낮은 전압(2.2V)을 적용할 때 빠르고 충분한 움직임(최대 변위 0.8cm)을 표시하며, 이는 PDMS 기판과 웹의 열팽창 계수 사이의 대비 결과입니다. 전극처럼. 이 효과를 생성하는 전류는 직접적인 전기 접촉 및 무선 주파수 유도와 같은 연결되지 않은 구성 모두에서 발생할 수 있는 것으로 나타났습니다. 일반적으로 열 활성화 액추에이터의 경우 금속 필름이나 전도성 탄소 기반 재료를 사용하여 가열이 생성되는 반면, 여기서는 마이크로섬유 기반 히터를 사용하여 빠른 가열/냉각 프로세스가 이루어집니다. 연결되지 않은 장치에 대한 이 새로운 접근 방식은 따라야 할 흥미로운 경로이며, 자율 작동 및 에너지 원격 전송이 필요한 광범위한 응용 분야를 열었습니다.

인공근육을 다루는 연구분야는 지난 10년간 꾸준히 발전해 왔습니다. 로봇 공학(요즈음 동물과 같은 부드러운 로봇에 대한 강렬한 탐구가 진행되고 있음) 또는 의료/헬스케어 장치1,2,3,4,5,6,7와 같은 응용 분야의 개발로 인해 관심이 높아지고 있습니다. 이러한 구성 요소의 새롭고 개선된 유형이 개발되어 문헌에 보고되었으며, 활용된 작동 프로세스는 광범위한 물리적, 화학적 현상을 기반으로 합니다. 전기화학적으로 제어되는 전도성 고분자 근육부터 공압식 또는 열적으로 활성화되는 근육에 이르기까지 성능이 지속적으로 향상되는 것을 쉽게 확인할 수 있습니다8,9,10,11,12,13,14. 그러나 기능성과 효율성 측면에서 한쪽의 생물학적 근육이나 다른 쪽의 기계, 전기 기계 또는 공압 모터에 유사한 출력을 달성하려면 아직 갈 길이 멀다. 이 분야의 개선은 작동 메커니즘과 재료 유형 또는 조합 모두에서 지속적으로 보고됩니다. 전도성 또는 압전 폴리머, 엘라스토머, 형상 기억 합금과 같은 다양한 재료가 각각 특정 작동 모드, 장점 및 단점을 가지고 조사됩니다.

작동을 달성하기 위해 전기화학적으로 유도된 구조적 변화, 압전성, 열 또는 기타 고유 특성이 활용됩니다. 유전체 엘라스토머는 높은 탄성, 가벼운 무게, 인가된 전기장에 대한 기계적 반응 등의 특성 때문에 연질 인공 근육을 제조하는 데 선호되는 소재 중 하나입니다. 그러나 작동에 필요한 상대적으로 높은 전압과 높은 기능성을 달성하기 위해 유사한 유연성을 가진 전극을 사용해야 하는 필요성으로 인해 문제가 발생합니다.

탄소 나노튜브 및 그래핀과 같은 미세한 입자 또는 구조를 포함하는 복합재를 사용하는 것은 향상된 특성 또는 새로운 기능을 달성하기 위해 널리 사용되는 경로가 되었습니다2,23,24,25. Aouragheet al. 상대적으로 높은 전압이 인가될 때 얻어지는 약 350°C의 온도에서 중요한 굽힘 각도(~200°)를 나타내는 PDMS/탄소 나노튜브 복합 필름을 기반으로 한 전열 액츄에이터를 제안했습니다. 그러나 액츄에이터가 초기 형상을 복구하는 데 오랜 시간이 걸립니다(~150초). 마찬가지로, Sun et al. 12 V27의 인가 전압에 대해 ~ 540° 구부릴 수 있는 탄소 나노튜브 및 PDMS를 기반으로 한 전열 액추에이터의 제조를 보고했습니다. 이 액추에이터는 또한 정상 상태 굽힘 각도(130초)에 도달하는 데 오랜 시간이 걸립니다. Yaoet al. 4.5V28의 낮은 적용 전압에서 30mm 구부러지는 PDMS 및 은나노와이어(AgNws)를 기반으로 한 바이모프 액츄에이터를 개발했습니다. 그러나 액츄에이터는 최대 변위 정도(~40초)에 도달하고 초기 위치(~60초)를 복구하는 데 비교적 오랜 시간이 필요합니다. Huet al. 10V29의 상대적으로 낮은 인가 전압에서 상대적으로 긴 시간(60초) 동안 최대 12mm 굽힘에 도달하는 그래핀 스폰지와 PDMS를 기반으로 하는 또 다른 바이모프 액츄에이터를 제안했습니다.