بررسی تاثیر نحوه توزیع حرارت بر عملکرد محرک نرم سیلیکون-اتانول

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 7، دوره 36، شماره 2 - شماره پیاپی 38، خرداد 1404، صفحه 93-106   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2025.88021.1149

نویسندگان

سمانه صاحبیان^* ؛ محبوبه قاسم زاده نامقی؛ محسن حداد سبزوار؛ حجت زامیاد

گروه مهندسی متالورژی و علم مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.

چکیده

در پژوهش حاضر یک ربات نرم کامپوزیتی با استفاده از سیلیکون به عنوان زمینه و اتانول به عنوان ماده تغییرفازدهنده ساخته شد. هدف از ساخت این ربات نرم، ایجاد عملکرد کرنشی در ربات است. با توجه به این‌که مکانیزم فعال‌سازی ربات سیلیکون-اتانول، جذب حرارت توسط اتانول و ایجاد فشار بخار در زمینه سیلیکون و درنتیجه‌ی آن، کرنش است؛ بنابراین تاثیر یکنواختی توزیع حرارت در کامپوزیت بر سرعت پاسخدهی آن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این پژوهش با استفاده از تست تحریک الکتریکی، وزن سنجی با ترازو، تصویربرداری از ریزساختار توسط میکروسکوپ الکترونی(FESEM) و پردازش تصاویر مربوط به جابه‌جایی نمونه‌ها توسط نرم افزار متلب، نشان داد شرایط توزیع حرارت در کامپوزیت سیلیکون-اتانول در سرعت عملکرد و طول عمر کامپوزیت بسیار با اهمیت است. نمونه با قطر سیم‌پیچ 1 سانتی‌متر (برابر با 34درصد حجمی از نمونه که داخل سیم‌پیچ قرار گرفته به حجم کل نمونه) دارای ثبات عملکردی در طی سیکل‌های مختلف در زمان عملکرد بود. اختلاف دماهای مرکز و سطح نمونه برابر حدود ℃21 بود و میانگین زمان پاسخدهی طی سه روز کاری برابر با 161 ثانیه به دست آمد. برای نمونه با قطر سیم‌پیچ 8/0 سانتی‌متر میزان اختلاف دمای سطح و مرکز 25℃ و میانگین زمان پاسخدهی طی سه روز کاری 165 ثانیه بود. در نمونه با قطر سیم‌پیچ 5/0 سانتی‌متر میزان اختلاف دمای سطح و مرکز 95℃و میانگین زمان پاسخدهی طی سه روز کاری، 143 ثانیه اندازه‌گیری شد.

کلیدواژه‌ها

ربات نرم؛ سیلیکون؛ ماده تغییرفازدهنده؛ انتقال حرارت

مراجع

[1]           N. Kladovasilakis et al., “A Novel Soft Robotic Exoskeleton System for Hand Rehabilitation and Assistance Purposes,” Applied Sciences, vol. 13, no. 1, p. 553, 2023. https://doi.org/10.3390/app13010553

[2]           Y. Wang et al., “Dielectric elastomer actuators for artificial muscles: A comprehensive review of soft robot explorations,” Resources Chemicals and Materials, vol. 1, no. 3, pp. 308–324, 2022. https://doi.org/10.1016/j.recm.2022.09.001

[3] D.-M. Rusu et al., “Soft Robotics: A Systematic Review and Bibliometric Analysis,” Micromachines, vol. 14, no. 2, p. 359, 2023. https://doi.org/10.3390/mi14020359

[4]           E. W. Hawkes, C. Majidi, and M. T. Tolley, “Hard questions for soft robotics,” Science Robotics, vol. 6, no. 53, p. eabg6049, 2021. https://doi.org/10.1126/scirobotics.abg6049

[5] E. Mwasi, “Ethanol phase transition driven silicone actuator for soft robotic prosthetic arm,” Bachelor’s degree thesis, 2020.

[6]           R. Nasseri et al., “Programmable nanocomposites of cellulose nanocrystals and zwitterionic hydrogels for soft robotics,” Nature Communications, vol. 14, no. 1, p. 6108, 2023. https://doi.org/10.1038/s41467-023-41874-7

[7]           M. Lalegani Dezaki et al., “Adaptive reversible composite-based shape memory alloy soft actuators,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 345, p. 113779, 2022. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113779

[8]           X. Li, H. Duan, P. Lv, and X. Yi, “Soft actuators based on liquid–vapor phase change composites,” Soft Robotics, vol. 8, no. 3, pp. 251–261, 2021. https://doi.org/10.1089/soro.2020.0018

[9]           C. Liu et al., “High water content electrically driven artificial muscles with large and stable deformation for soft robots,” Chemical Engineering Journal, vol. 472, p. 144700, 2023. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144700

[10]         S. Vougioukas, “Agricultural robotics,” Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems, vol. 2, no. 1, pp. 365–392, 2019. https://doi.org/10.1146/annurev-control-053018-023617

[11]         D. J. Kang et al., “Programmable soft robotics based on nano-textured thermo-responsive actuators,” Nanoscale, vol. 11, no. 4, pp. 2065–2070, 2019. https://doi.org/10.1039/C8NR08215D

[12]        R. Chellattoan, A. Yudhanto, and G. Lubineau, “Low-voltage-driven large-amplitude soft actuators based on phase transition,” Soft Robotics, vol. 7, no. 6, pp. 688–699, 2020. https://doi.org/10.1089/soro.2019.0150

[13]         H. Ma, X. Xiao, X. Zhang, and K. Liu, “Recent advances for phase-transition materials for actuators,” Journal of Applied Physics, vol. 128, no. 10, 2020. https://doi.org/10.1063/5.0020596

[14]        G. Decroly, R. Raffoul, C. Deslypere, P. Leroy, L. Van Hove, A. Delchambre, and P. Lambert, “Optimization of phase-change material–elastomer composite and integration in kirigami-inspired voxel-based actuators,” Frontiers in Robotics and AI, vol. 8, p. 672934, 2021. https://doi.org/10.3389/frobt.2021.672934

[15]         A. Miriyev, G. Caires, and H. Lipson, “Functional properties of silicone/ethanol soft-actuator composites,” Materials & Design, vol. 145, pp. 232–242, 2018. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.02.057

[16]         S. Krpovic, K. Dam‐Johansen, and A. L. Skov, “Importance of Mullins effect in commercial silicone elastomer formulations for soft robotics,” Journal of Applied Polymer Science, vol. 138, no. 19, p. 50380, 2021. https://doi.org/10.1002/app.50380 

[17] T. Kapłon and A. Milecki, “Research on the Use of Silicon-Ethanol Composite in Actuators,” Materials, vol. 15, no. 23, p. 8570, 2022.

[18] T. Kapłon and A. Milecki, “Linear Drive Based on Silicon/Ethanol Composite,” Polymers, vol. 13, no. 16, p. 2668, 2021. https://doi.org/10.3390/polym13162668

[19] D. J. Kang et al., “Programmable soft robotics based on nano-textured thermo-responsive actuators,” Nanoscale, vol. 11, no. 4, pp. 2065–2070, 2019. https://doi.org/10.1039/C8NR08215D               

[20] P. AziziHariri et al., “Development of a phase-change material-based soft actuator for soft robotic gripper functionality: In-depth analysis of material composition, ethanol microbubble distribution and lifting capabilities,” Materials Chemistry and Physics, vol. 311, p. 128435, 2024. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2023.128435

[21] A. H. Ebrahimi et al., “Design and characterization of electro-active soft actuator based on phase transition of microencapsulated silicon-ethanol composite,” Journal of Thermoplastic Composite Materials, vol. 37, no. 4, pp. 1499–1518, 2024. https://doi.org/10.1177/08927057231197160