Ultrathin printed electroadhesive patches: Fabrication and Characterization

Abstract

Os mecanismos de adesão controlável correspondem a uma série de tecnologias quepermitem, através do uso de um sinal externo, comutar sistemas de adesão. Estes mecanismospossuem diversas aplicações na área da automação, sistemas de "pick and place", sistemasde garras e na área robótica. Atualmente sistemas de garras mecânicos, sistemas de adesãomagnéticos, assim como de adesão electromagnéticos e sistemas de sucção são utilizadoscom abundância. Recentemente, a área da electroadesão tem vindo a crescer. Isto deve-seprincipalmente ao facto de as unidades serem compactas, simples, de fácil controlo e baixocusto de fabrico.Até à atualidade, a aplicação da electroadesão estava limitada a superfícies planas oumuito próximas de planas. Com a realização desta dissertação, nós propomos, estudamos ecaracterizamos unidades electroadesivas ultra-finas (inferiores a 5 micrometros) que podemser facilmente impressas e transferidas sobre qualquer superfície 3D.Circuitos impressos usando uma tinta de prata são cobertos por uma mistura Eutéticaentre Gallium Indium (EGaIn), um método previamente desenvolvido e patenteado pelosmembros do laboratório SPM-UC. Estes circuitos são então impressos sob uma forma polarinterdigital a cobertos por uma fina camada de um material dielectrico. Os valors máximosdas forças de cisalhamento relativamente à tensão aplicada foram medidos usando materiaiscondutores e não condutores. Estes resultados mostram que, usando um objecto condutor, épossível obter uma força máxima de 23.83 kPa, enquanto que para materiais não conductoreso maior valor de força alcançada foi 28.70 kPa.Como casos de estudos, é demonstrado um cenário que não seria possível implementarusando qualquer outro mecanismo electroadesivo existente: electroadesão é aplicada emsuperfícies 3D não-planificáveis. Para isso o circuito tem de ser expansível e que possa sertransferível sem perder as suas propriedades condutoras

Controllable adhesion refers to a series of technologies that allows, using an externalsignal, to turn on/off an adhesion unit. This has application in automation, pick and placesystems, grasping and robotics. Currently mechanical grasping, magnetic adhesion, electromagneticadhesion and suction are widely used. More recently electroadhesion received anincreasing attention, mainly due to the simplicity and compactness of the system, ease ofcontrol and low cost components used for fabrication of electroadhesion units.Up to now, electroadhesion was limited to flat or nearly flat surfaces. Within thisdissertation, we propose, study, and characterize ultrathin ( 5 micrometer thin) printedelectroadhesive pads that can be easily printed and transferred over any 3D surface.Circuits printed by a silver ink over the tattoo paper are coated by Eutectical GalliumIndium Alloy (EGaIn), a method previously developed and patented by the SPM-UC labmembers. These circuits are then printed in the form of interdigited bipolar planar circuit andcoated by a thin layer of a dielectric. The result of maximum shear force against the appliedvoltage are then obtained for conductive and non conductive objects. Results show that for aconductive object a maximum shear force of up to 23.83 kPa can be obtained, while for anon conductive 28.70 kPa was the maximum value reached.As a case study we demonstrate a scenario not possible with other state of the artelectroadhesion systems. That is, to use electroadhesion over non developable 3D surfaces.This requires a conformal and stretchable circuit which can be transferred over a 3D surfacewithout loosing conductivity.