Printed Soft Actuators Based on Liquid Crystal Elastomers

Abstract

Uma classe emergente de novos atuadores macios, finos e imprimíveis está recebendo cada vez mais atenção da comunidade científica. Isso se deve ao crescente interesse em soft robotic, dispositivos vestíveis com tecnologia háptica, têxteis inteligentes, entre outros. Isso resultou na busca por materiais inteligentes que atuem em resposta a estímulos externos. Entre eles, os Elastômeros de Cristal Líquido (LCEs), comumente conhecidos por seu uso em Displays de Cristal Líquido (LCDs), são escolhas atraentes. Os LCEs mudam sua forma em resposta à luz ou ao calor e são altamente desejados, pois podem ser rapidamente moldados na forma desejada por meio de moldagem ou impressão.A impressão digital é atraente, pois permite a fabricação autônoma de atuadores sob medida. Nesta dissertação, estudei a impressão digital de atuadores baseados em LCE através de uma configuração simples de extrusora de material. Além disso, para fazer um atuador eletricamente estimulado, usei um aquecedor Joule impresso digitalmente que aquece o LCE até a temperatura necessária para dobrar. Também foi avaliado o impacto de diferetes variáveis (tamanho da ponta dispensadora, tempo de cura, número de camadas impressas e tensão aplicada) na velocidade de atuação e ângulo de curvatura dos atuadores baseados em LCE. Essa otimização resultou em atuadores de impressão que dobram até 300º, com consumo de energia reduzido em relação ao estado da arte. Além disso, um atuador que pode levantar 3x seu peso foi mostrado como prova de conceito. Esta dissertação propõe uma redução no tempo de fabricação de LCEs, em comparação com outros trabalhos semelhantes, através da implementação de uma câmara de cura UV sob medida para os atuadores LCE.

An emerging class of novel soft, thin, and printable actuators are getting increasing attention from the scientific community. This is due to the growing interest in soft robotics, haptic-enabled wearable devices smart textiles, among others. This resulted in the search for smart materials that act in response to external stimuli. Among them, Liquid Crystal Elastomers (LCEs), commonly known for their use in Liquid Crystal Displays (LCDs), are attractive choices. LCEs change their shape in response to light or heat, and they are highly desired as they can be rapidly formed to the desired shape through casting or printing.Digital printing is attractive as it permits autonomous fabrication of tailor-made actuators. In this dissertation, I studied the digital printing of LCE-based actuators through a simple material extruder setup. In addition, to make an electrically stimulated actuator, I used a digitally printed Joule heater that heats the LCE to the required temperature for bending.I as well evaluated the impact of different variables (size of dispensing tip, curing time, number of printed layers, and applied voltage) on the actuation speed and bending angle of LCE-based actuators. This optimization resulted in printing actuators that bend up to 300◦, with reduced power consumption compared to the state-of-the-art. Also, an actuator that can lift 3x its weight was shown as proof of concept.This dissertation proposes a reduction in the fabrication time of LCEs, compared to other similar works, by implementing a tailor-made UV curing chamber for the LCE actuators.