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Mode shifting shape memory polymer and hydrogel composite fiber actuators for soft robots

执行机构 材料科学 复合材料 形状记忆合金 复合数 软机器人 极限抗拉强度 弯曲 人工肌肉 纤维 扭转(腹足类) 自愈水凝胶 抗弯强度 计算机科学 高分子化学 外科 人工智能 医学
作者
Jung Gi Choi,Geoffrey M. Spinks,Seon Jeong Kim
出处
期刊:Sensors and Actuators A-physical [Elsevier]
卷期号:342: 113619-113619 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.sna.2022.113619
摘要

Soft robotics is a promising new field offering robot systems that mimic the versatility and complexity of movement and propulsion seen in natural organisms. Such systems require complex actuation including length expansion/contraction, bending and torsion. To date, such actuators have been configured individually. Here, it is shown that composite fibers formed from a shape memory polymer and a thermo-sensitive hydrogel could be configured into any one of the tensile, torsional and flexural actuators. Furthermore, the programmed mode of actuation could be thermally erased and the same fiber re-programmed into a different type of actuator. The fibers were prepared from poly(N-isopropylacrylamide) with polycaprolactone and the fiber composition was tuned to optimize both shape fixity and the degree of actuation. The fibers could be programmed by heating to 60 ℃ and then cooled under tensile, flexural or torsional load. The fiber was then conditioned by immersing in water at room temperature which induced swelling of the hydrogel phase and shape deformation. The pre-programmed shape of the fiber was then restored when the fiber was heated at 35 ℃ in water to de-swell the thermo-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) hydrogel. Reversible actuation was observed through multiple cycles of heating and cooling. The optimized fibers generated torsional strokes of 10 turn/m; bending curvature changes of 0.4 mm−1 or tensile strokes of up to 92%. The composite fibers offer a convenient means for generating a variety of different actuation types for soft robotics.
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