Transpiration actuation: the design, fabrication and characterization of biomimetic microactuators driven by the surface tension of water

微执行器 材料科学 制作 执行机构 表面张力 聚合物 纳米技术 张力(地质) 光电子学 复合材料 计算机科学 医学 物理 替代医学 病理 量子力学 极限抗拉强度 人工智能
作者
Ruba T. Borno,Joseph D. Steinmeyer,Michel M. Maharbiz
出处
期刊:Journal of Micromechanics and Microengineering [IOP Publishing]
卷期号:16 (11): 2375-2383 被引量:34
标识
DOI:10.1088/0960-1317/16/11/018
摘要

We have designed, fabricated and characterized large displacement distributed-force polymer actuators driven only by the surface tension of water. The devices were inspired by the hygroscopic spore dispersal mechanism in fern sporangia. Microdevices were fabricated through a single mask process using a commercial photo-patternable silicone polymer to mimic the mechanical characteristics of plant cellulose. An analytical model for predicting the microactuator behavior was developed using the principle of virtual work, and a variety of designs were simulated and compared to the empirical data. Fabricated devices experienced tip deflections of more than 3.5 mm and angular rotations of more than 330° due to the surface tension of water. The devices generated forces per unit length of 5.75 mN m−1 to 67.75 mN m−1. We show initial results indicating that the transient water-driven deflections can be manipulated to generate devices that self-assemble into stable configurations. Our model shows that devices should scale well into the submicron regime. Lastly, the actuation mechanism presented may provide a robust method for embedding geometry-programmable and environment-scavenged force generation into common materials.
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