Microbomba peristáltica que utiliza geles de cloruro de polivinilo con superficie microestampada.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 22608 (2022) Citar este artículo

898 Accesos

1 Citas

Detalles de métricas

Este artículo presenta una bomba que utiliza gel de cloruro de polivinilo (PVC). Los geles de PVC son flexibles, tienen una estructura simple y exhiben una gran deformación a voltajes en el rango de 100 a 1000 V, lo que los hace adecuados para microbombas. En este estudio, para la fabricación de una bomba se empleó una lámina de gel de PVC con un patrón superficial que mejora la deformación activa en la dirección del espesor. Para este fin, la lámina de gel de PVC se intercaló entre tres conjuntos de electrodos de ánodo y cátodo, después de lo cual se aplicaron voltajes secuencialmente a estos electrodos para generar una deformación peristáltica de la lámina de gel, empujando así el líquido y creando un flujo unidireccional. Se fabricaron varias bombas utilizando láminas de gel de PVC con diferentes patrones de superficie y se caracterizaron las bombas. Las bombas presentaban unas dimensiones exteriores de 35 mm × 25 mm con un espesor de 4 mm, lo que corresponde a un volumen total de 3,5 × 103 mm3. Los resultados revelaron que la bomba fabricada con una lámina de gel con diseño piramidal de 174 μm de alto generó un caudal de 224,1 μl/min con un voltaje aplicado de 800 V y una frecuencia de conducción de 3 Hz. Este valor observado es comparable o mejor que el de las bombas existentes basadas en materiales inteligentes.

Las bombas son el elemento fundamental de los sistemas impulsados ​​por fluidos, que se emplean en una amplia gama de aplicaciones en los campos de la medicina, la biología, la química y la robótica. En las últimas décadas, el uso de materiales inteligentes, que son materiales que pueden deformarse en respuesta a estímulos externos, ha sido ampliamente investigado como método para construir bombas. Esto podría atribuirse principalmente a su estructura más simple en comparación con las bombas convencionales, lo que las hace escalables en tamaño1,2,3,4. Por ello se han desarrollado varias bombas basadas en materiales inteligentes. Estos materiales inteligentes incluyen aleaciones con memoria de forma (SMA)5,6,7, cerámicas piezoeléctricas (PZT)8,9, elastómeros dieléctricos (DE)10,11,12,13, fluoruro de polivinilideno (PVDF)14, compuestos metálicos de polímeros iónicos ( IPMC)15,16,17,18 y polímeros conductores (CP)19.

Como material inteligente, el gel de cloruro de polivinilo (PVC) presenta características prometedoras para bombas. Los geles de PVC normalmente se sintetizan mezclando resinas de PVC y plastificantes líquidos (p. ej., adipato de dibutilo) y normalmente tienen forma de lámina20,21,22. Cuando se intercala una lámina de gel de PVC entre dos electrodos y se aplica una diferencia de potencial entre ellos, el gel se atrae y se deforma hacia el electrodo positivo. Esta deformación es el resultado de la inyección de carga desde el lado negativo seguida de la migración del plastificante al lado positivo21,22,23. Los geles de PVC son blandos, tienen una estructura simple y exhiben grandes deformaciones (p. ej., 12% de tensión de contracción24) y tensiones (p.ej., 5,26 kPa24) a voltajes en el rango de 100 a 1000 V21,23. Se dice que la corriente de fuga entre los electrodos es de varias decenas de nanoamperios por milímetro cuadrado22. Debido a estas características, los geles de PVC se han aplicado en varios dispositivos22, incluidos un módulo de músculo artificial24, una pinza25 y un dispositivo de asistencia humana26. Aunque los geles de PVC se han aplicado en varios dispositivos, hasta donde sabemos, no existen estudios sobre el uso de geles de PVC para la fabricación de bombas.

En este estudio, desarrollamos bombas de gel de PVC para investigar la eficacia de los geles de PVC en dispositivos de bombeo. La bomba desarrollada era capaz de generar un flujo continuo de líquido mediante la deformación peristáltica de la lámina de gel de PVC. La deformación peristáltica de la lámina se logró aplicando un voltaje a múltiples electrodos en la estructura. La superficie de la lámina de gel de PVC utilizada en este estudio exhibió un micropatrón que se espera permita el movimiento eficiente del líquido. Se fabricaron e implementaron en la bomba varias láminas de gel de PVC con diferentes micropatrones, y se caracterizó su desempeño en términos de caudal en función de la frecuencia de conducción del ciclo peristáltico a un voltaje fijo.

La estructura completa de la bomba de gel de PVC se muestra en la Fig. 1. Consiste en una lámina de gel de PVC intercalada entre tres juegos de electrodos. Los electrodos superior e inferior se utilizaron como lados positivo y de tierra, respectivamente. Los electrodos positivos se fijaron dentro de una pieza impresa en 3D y sobre el electrodo positivo se colocó una lámina de gel, cuyo borde exterior está pegado a la pieza impresa en 3D. La pegajosidad de la lámina de gel aseguró la unión de los electrodos negativos a la parte superior de la lámina. El peso de los electrodos negativos (0,34 g cada uno) aplica una tensión previa a la lámina de gel en la dirección del espesor para que el gel y los electrodos positivos estén siempre en contacto. El ajuste del pretensado es posible cambiando el peso de los electrodos negativos. A esta estructura se conectaron tubos de silicona para asegurar el transporte del líquido que pasa por el dominio entre los electrodos positivos y la lámina de gel. La dimensión exterior de la bomba es de 35 mm × 25 mm con un espesor de 4 mm, correspondiente al volumen total de 3,5 × 103 mm3. Se presentan más detalles sobre el proceso de fabricación en la sección "Métodos".

(a) Estructura de la bomba de gel de cloruro de polivinilo (PVC). (b) Bomba de gel de PVC desarrollada en este estudio.

La bomba puede generar el flujo unidireccional del líquido cuando los electrodos están bajo activación cíclica. La Figura 2 muestra la activación de los electrodos durante un ciclo de bombeo, que consta de cuatro patrones de activación de electrodos. La repetición del mismo ciclo de bombeo da como resultado la deformación peristáltica continua de la lámina de gel de PVC que transporta el líquido en una dirección.

Principio de funcionamiento de la bomba de gel de PVC.

La bomba de gel de PVC fue diseñada de manera que la lámina de gel pueda empujar el líquido directamente cuando está en contacto con los electrodos positivos. Por tanto, es difícil absorber líquido si no hay espacio entre la lámina de gel y los electrodos positivos. Esto también da como resultado una lámina de gel de PVC plana que no produce flujo porque no hay una ruta por donde pueda pasar el líquido (no hay espacio entre la lámina de gel y los electrodos positivos). Por lo tanto, en este estudio, se crearon micropatrones en la superficie de la lámina de gel de PVC y se consideraron dos patrones: un patrón piramidal y un patrón de cresta. Las láminas de gel con estos patrones se ilustran en la Fig. 3 con sus dimensiones. El patrón piramidal (Fig. 3a) constaba de pirámides tetragonales con una altura de 174 µm y una base de 250 µm. El patrón de crestas (Fig. 3b) consistía en montañas con un ancho de 100 µm, y para este patrón se utilizaron dos alturas diferentes (174 y 78 µm). La altura total de cada lámina de gel fue de 630 µm. En este estudio se consideraron diferentes micropatrones y alturas para investigar el efecto de la geometría en el rendimiento del bombeo. La presencia del micropatrón de superficie permitió la creación de un espacio entre la lámina de gel de PVC y los electrodos positivos sin un posicionamiento preciso. Además, se espera que rectifique el paso del líquido.

Geometría de las láminas de gel de PVC utilizadas en la bomba. (a) Hoja con micropatrón piramidal. (b) Hoja con micropatrón de cresta. (c) Mecanismo de actuación de una lámina de gel de PVC con micropatrón. (i) El gel se intercala entre electrodos rígidos positivos y negativos. (ii) Cuando se aplica un voltaje, el gel se deforma de manera que aplana los vértices. (iii) El gel alcanza un estado de equilibrio, donde toda la estructura exhibe un cambio de desplazamiento en la dirección del espesor.

El mecanismo de actuación de la lámina de gel de PVC con micropatrón se ilustra en la Fig. 3c. En la configuración de bomba, el gel se intercala entre electrodos rígidos positivos y negativos, donde los vértices del patrón están en contacto con el electrodo positivo. Cuando se aplica un voltaje, se inyectan cargas eléctricas y se atraen hacia el electrodo positivo. Esto provoca la migración del plastificante, lo que produce una deformación de manera que se aplanan los vértices del gel. El gel alcanza un estado de equilibrio donde la fuerza de atracción y la fuerza elástica del gel están equilibradas. Como resultado, toda la estructura presenta un cambio de desplazamiento en la dirección del espesor. En este estado, el espacio entre el gel y el electrodo positivo se minimiza, lo que significa que si hay líquido presente, se empuja en dirección horizontal.

Además, se empleó la lámina de gel de PVC con micropatrón porque genera un mayor desplazamiento en la dirección del espesor en comparación con las opciones sin micropatrón. La Figura 4 muestra las gráficas del desplazamiento de las láminas de gel de PVC en la dirección del espesor en función del voltaje aplicado. Las láminas de gel probadas son aquellas con patrón piramidal (altura 174 µm), patrones de cresta (78 µm y 174 µm) y sin patrón. Cada uno de ellos está intercalado entre dos electrodos metálicos rígidos y luego se midió el desplazamiento bajo la aplicación de voltaje (ver "Métodos" para más detalles). El desplazamiento de las láminas de gel con patrón fue significativamente mayor que el de la lámina sin patrón, lo que indica su idoneidad para bombas que explotan la deformación en la dirección del espesor.

Desplazamiento de las láminas de gel de PVC en la dirección del espesor en función de la tensión aplicada. Cada lámina de gel se midió tres veces y se informó el promedio.

El proceso de fabricación de la lámina de gel de PVC con micropatrones se resume en la Fig. 5 (consulte "Métodos" para obtener más detalles). Se parte de la preparación de una solución de resina de PVC y un plastificante (en este estudio, adipato de dibutilo). Después del enfriamiento se obtiene un gel de PVC curado. Al presionar el gel con placas de hierro calentadas se obtiene una forma de lámina. La lámina de gel se presiona aún más mediante un sello de resina de curado ultravioleta (UV) que tiene una concavidad con un micropatrón, lo que da como resultado el gel de PVC con un micropatrón.

Proceso de fabricación de láminas de gel de PVC con micropatrón.

El movimiento de las bombas fabricadas con las láminas de gel de PVC antes mencionadas se muestra en el video complementario S1. Como se muestra en la Fig. 6a, el transporte del líquido probado (FC-43, 3M) se puede observar examinando el movimiento de una burbuja en el tubo de silicona (consulte también el video complementario S1). Sin embargo, se observó cierto reflujo de líquido durante el ciclo. Esto se debe a que durante la transformación del patrón superior derecho al patrón superior izquierdo que se muestra en la Fig. 2, hubo un espacio para el paso del líquido antes de la deformación completa de la lámina de gel de PVC en el patrón superior izquierdo. Con base en la velocidad de una burbuja y el diámetro interno del tubo, se midió el caudal generado por las bombas con una variación en la frecuencia de accionamiento (es decir, la inversa del ciclo de bombeo) a un voltaje aplicado de 800 V. En particular, el caudal se midió determinando el tiempo que una burbuja recorre una distancia de 10 mm. Este método, que mide el caudal en función de la velocidad de una burbuja, también conocido como tiempo de vuelo de la burbuja, se empleó consultando diversas publicaciones14,27,28. El movimiento de una burbuja se capturó mediante una cámara (TG-5, OLYMPUS) y la bomba se accionó mediante una fuente de alimentación de alto voltaje29. Se eligió la magnitud del voltaje de 800 V para eliminar cualquier posibilidad de falla eléctrica y al mismo tiempo generar deformaciones razonables. La forma de onda del voltaje aplicado era cuadrada, por lo que se esperaba una rápida deformación del gel.

(a) Flujo de líquido generado por la bomba de gel de PVC según la burbuja observada en el tubo de silicona. ( b ) Caudal medido en función de la frecuencia de accionamiento de la bomba con una lámina de gel con diseño piramidal (voltaje aplicado 800 V). (c) Caudal medido en función de la frecuencia de accionamiento de la bomba con una lámina de gel con diseño de crestas (voltaje aplicado 800 V, altura 174 µm). (d) Caudal medido en función de la frecuencia de accionamiento de la bomba con lámina de gel con diseño de crestas (voltaje aplicado 800 V, altura 78 µm). Para los caudales medidos, se informa el promedio de tres veces la medición.

El caudal medido de la bomba con patrón piramidal (altura 174 µm) se representa en la Fig. 6b. Con un aumento en la frecuencia de conducción, el caudal aumentó hasta alcanzar un valor máximo de 224,1 ± 5,4 µL/min a 3 Hz. Con un aumento adicional de la frecuencia de conducción más allá de 3 Hz, el caudal disminuyó. Esta tendencia se observa a menudo en las bombas peristálticas22, lo que sugiere que nuestra bomba de PVC funcionó como se esperaba. Se observó una tendencia similar para las bombas con patrones de cresta, como se muestra en la Fig. 6c,d. La bomba fabricada con la lámina de gel de PVC con una altura de cresta de 174 µm (Fig. 6c) alcanzó un valor máximo de 133,7 ± 6,4 µL/min a 7 Hz, que es un 40% menor que el logrado por la bomba con patrón piramidal. . El caudal máximo de la bomba fabricada utilizando la lámina de gel con una altura de cresta de 78 µm disminuyó a 52,3 ± 1,5 µL/min (0,8 Hz).

Los diferentes valores del caudal máximo y la frecuencia correspondiente pueden atribuirse a varios factores, siendo el primero la variación en el volumen del espacio creado por los micropatrones. El desplazamiento máximo teórico de la lámina de gel de PVC con el patrón piramidal (altura = 174 µm) es de 115 µm, lo que correspondió a un volumen de flujo por bombeo de 9,2 µL. Para las láminas de gel con patrones de crestas de altura 174 y 78 µm, el volumen de flujo máximo calculado por bombeo fue de 6,9 ​​(máx. disp. 82 µm) y 2,9 µl (máx. disp. 33 µm), respectivamente. Estos valores son consistentes con los caudales medidos que se muestran en la Fig. 6, así como con el desplazamiento medido en la dirección del espesor que se muestra en la Fig. 4. En cuanto a otros factores, la lámina de gel de PVC con patrón piramidal (altura = 174 µm) tiene un desplazamiento mayor en la dirección del espesor (Fig. 4), por lo que la cantidad total de líquido a extruir es mayor. A medida que aumenta la frecuencia, la cantidad de deformación disminuye gradualmente porque la deformación del gel no puede igualar la entrada. En este sentido, el caudal viene determinado por la multiplicación de la frecuencia y la cantidad de deformación en ese momento. La frecuencia a la que el caudal alcanza su punto máximo es de 3 Hz para el patrón piramidal. Para el patrón de cresta con una altura de 174 µm, el caudal general es menor debido al desplazamiento relativamente pequeño en la dirección del espesor. Alternativamente, la frecuencia máxima toma un valor más alto de 7 Hz por dos posibles razones. La primera es que un desplazamiento menor aumenta la frecuencia con la que se puede aprovechar el desplazamiento máximo, porque el tiempo necesario para alcanzar ese desplazamiento es mucho más corto. El segundo es la relación entre el volumen del patrón y su superficie (el área en contacto con el líquido). Cuanto mayor sea el volumen que se puede deformar activamente en relación con el área de la superficie, más fácil será expulsar el líquido, aumentando así la frecuencia. En una unidad cuadrada de 500 µm sobre una lámina de gel de PVC, el patrón de cresta de 174 µm de altura tiene un área de superficie de 3,83 × 10–5 µm2 y un volumen de 2,34 × 10–7 µm3, lo que da un volumen por unidad de superficie de 61,2 µm. Este valor es aproximadamente dos veces mayor que el del patrón piramidal (29,9 µm), lo que se correlaciona con la frecuencia máxima que es aproximadamente el doble. Para el patrón de cresta con una altura de 78 µm, el volumen por unidad de superficie es de 22,5 µm, lo que sugiere que requiere una frecuencia menor que el patrón piramidal. De hecho, la frecuencia máxima del patrón de crestas con una altura de 78 µm es de 0,8 Hz. El caudal máximo también es menor en proporción al desplazamiento en la dirección del espesor. Sin embargo, como se analizó anteriormente, el pequeño desplazamiento en la dirección del espesor contribuye a un aumento en la frecuencia máxima, lo cual es inconsistente. Esto sugiere que hay otro factor que reduciría la frecuencia del patrón de crestas con una altura de 78 µm.

Nuestra hipótesis es que se trata de fricción de fluido debido al tamaño del patrón (el tamaño del canal de flujo). Cuando el gel de PVC se deforma activamente en la bomba y expulsa el líquido, el flujo creado allí se considera turbulento. En caso de turbulencia completamente desarrollada en el canal de microfluidos, la fricción del fluido se expresa como el siguiente parámetro adimensional30.

Específicamente, \(f\) se llama factor de fricción de Darcy. \(Re\) es el número de Reynolds dado por la siguiente ecuación.

donde \(\rho\) es la densidad del líquido, \(U\) la velocidad del fluido, \(D_{h}\) el diámetro hidráulico y \(\mu\) la viscosidad dinámica (absoluta) del líquido. Refiriéndose a \(\rho\) y \(\mu\) de la hoja de datos del líquido utilizado en este estudio (FC-43, 3 M)31, calculando \(U\) en función del caudal máximo y la sección transversal de tubo de silicona en el lado de salida, y luego determinando \(Re\) con \(D_{h}\) como la altura del patrón, se encuentra que el factor de fricción del fluido es 0,9 para el patrón de cresta con una altura de 78 µm. El factor de fricción es 0,58 y 0,51 para el patrón piramidal (altura = 174 µm) y el patrón de cresta con 174 µm, respectivamente. Por lo tanto, se supone que la fricción del fluido del patrón de cresta con una altura de 78 µm es aproximadamente el doble que la de los otros patrones, lo que conduce a una resistencia adicional al flujo y, por lo tanto, a la frecuencia con la que finalmente se alcanza el caudal máximo. es tan bajo como 0,8 Hz. Lo anterior proporciona una guía para diseñar bombas de gel de PVC. Es decir, cuanto mayor sea el desplazamiento en la dirección del espesor del gel, mayor será el volumen activo en relación con el área de la superficie y cuanto menor sea la fricción del fluido, mayor será la producción en proporción a estos factores.

Resumimos los resultados obtenidos en este estudio y los comparamos con los de otras bombas basadas en materiales inteligentes disponibles en la literatura. Como se muestra en la tabla, el rendimiento de nuestra bomba es comparable o incluso mejor que el de los dispositivos basados ​​en otros materiales inteligentes, lo que indica la alta aplicabilidad y potencial del gel de PVC para bombas (Tabla 1).

En este estudio, desarrollamos una bomba de gel de PVC y confirmamos la aplicabilidad del gel de PVC a los dispositivos de bombeo. Los resultados experimentales revelaron que la bomba exhibió un caudal máximo de 224,1 µL/min, que es comparable o incluso mejor que el de las bombas basadas en otros materiales inteligentes. Además, los resultados sugirieron que la geometría de un micropatrón es un parámetro de diseño importante para las bombas de gel de PVC y que la optimización del patrón mejorará el rendimiento del bombeo.

Por lo tanto, el trabajo futuro se centrará en una mayor caracterización de las bombas de PVC bajo diversas geometrías de micropatrón de superficie, considerando al mismo tiempo factores relacionados con el caudal y la frecuencia de accionamiento revelados a partir de resultados experimentales, la secuencia de activación de los electrodos y la magnitud del voltaje aplicado, así como el tipo de forma de onda. Se espera que adquirir el rendimiento de actuación, como el desplazamiento y la fuerza de bloqueo para diferentes micropatrones, aporte información para diseñar bombas de PVC al proporcionar la relación entre las características de actuación y bombeo. Para facilitar estos experimentos, se empleará un sensor de flujo disponible comercialmente en lugar del método actual (tiempo de vuelo de la burbuja). Además, se podría modificar todo el diseño de la bomba. Por ejemplo, aumentar el área de superficie activa, el área donde se superponen los electrodos opuestos, dará como resultado una mayor cantidad de líquido por ciclo de bombeo. Además, la reducción del espesor total de las láminas de gel de PVC y la modificación de las propiedades del material pueden permitir la aplicación de voltajes más bajos, aumentando así la eficiencia energética del dispositivo.

Brevemente, se agregaron cloruro de polivinilo (PVC) (1700Z, vinilo Shindai-ichi) y adipato de dibutilo (DBA) (Tokyo Kasei) a un matraz separable en una relación en peso de PVC:DBA = 1:4. A continuación, la mezcla en el matraz se agitó y se calentó en un baño de aceite a 120 °C durante 30 min a 90 rpm hasta que se formó un gel polimérico. A continuación, el gel polimérico se enfrió y se retiró del matraz, y se colocaron 3,6 g del gel polimérico en un recipiente de 70 mm de diámetro. × espaciador de 0,7 mm y intercalado entre placas de hierro. Posteriormente, el espaciador se presionó usando una prensa de calentamiento hidráulica a 150 °C y 2 MPa, después de lo cual el espaciador se enfrió para obtener una lámina de gel polimérico con un espesor de 630 µm. A continuación, se colocó un sello de resina de curado UV con un cóncavo con micropatrón sobre la lámina de gel, y toda la muestra se colocó en una máquina de prensa de calentamiento al vacío donde se presionó la lámina de gel a 150 °C y 0,1 MPa en estado de vacío para crear un micropatrón. en la superficie de la lámina de gel. Se utilizaron diferentes sellos para obtener las láminas de gel con los patrones de pirámide y cresta.

El marco principal de la bomba se fabricó con una impresora 3D (Form3, Formlabs) y los datos de impresión 3D se crearon utilizando CAD (SolidWorks, Dassault Systèmes). Se fijaron electrodos positivos hechos de una placa de aluminio de 1 mm de espesor (20 mm de largo, 5 mm de ancho) dentro del marco impreso en 3D, y estos electrodos se conectaron a través de orificios con un diámetro de 0,7 mm perforados en el costado del marco. También se crearon orificios con un diámetro de 2,5 mm donde se conectaron los tubos de silicona (diámetro exterior 2,5 mm, diámetro interior 1,5 mm). Las láminas de gel de PVC se cortaron en dimensiones de contorno de 20 mm × 16 mm y se colocaron encima de los electrodos positivos, y los bordes de la lámina de gel se unieron al marco principal impreso en 3D utilizando un adhesivo curable por UV (BONDIC EVO, Spirit of Preguntarse). Posteriormente, se colocaron electrodos de tierra hechos de una placa de aluminio de 1 mm de espesor (16 mm de largo, 5 mm de ancho) en la parte superior de la lámina de gel de PVC. El cableado de cada electrodo de tierra se realizó uniendo un cable eléctrico con una cinta conductora.

En la medición del desplazamiento activo en la dirección del espesor de las láminas de gel de PVC fabricadas, cada gel se perforó en forma circular con un diámetro de 16,5 mm y se intercaló entre dos electrodos de latón. El electrodo del lado positivo tenía un diámetro de 35 mm y un espesor de 0,5 mm. El electrodo del lado negativo tenía un diámetro de 10 mm y un espesor de 2 mm. Los electrodos positivo y negativo se colocaron en la parte inferior y superior de la lámina de gel, respectivamente. Se utilizó un sensor de desplazamiento láser (OPTEX-FA, CDX-L15) para medir el desplazamiento del electrodo superior (es decir, el desplazamiento de la lámina de gel en la dirección del espesor) mientras se aplicaba voltaje a los electrodos mediante una fuente de alimentación de alto voltaje29.

Todos los datos que respaldan la trama de este artículo y otros hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Sideris, EA y de Lange, HC Bombas operadas por actuadores de materiales inteligentes electromecánicos de estado sólido: una revisión. Sens. Actuadores A Phys. 307, 111915 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, YN & Fu, LM Microbombas y aplicaciones biomédicas: una revisión. Microelectrón. Ing. 195, 121-138 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Mohith, S., Karanth, PN y Kulkarni, SM Tendencias recientes en microbombas mecánicas y sus aplicaciones: una revisión. Mecatrónica 60, 34–55 (2019).

Artículo de Google Scholar

Forouzandeh, F., Arevalo, A., Alfadhel, A. y Borkholder, DA Una revisión de las microbombas peristálticas. Sens. Actuadores A Phys. 326, 112602 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Borlandelli, E. y col. Diseño y caracterización experimental de un actuador peristáltico centrípeto de alta frecuencia basado en NiTi. Madre inteligente. Estructura. 24, 035008 (2015).

ADS del artículo Google Scholar

Sagar, SNK & Sreekumar, M. Bomba de flujo flexible miniaturizada que utiliza actuador SMA. Procedia Ing. 64, 896–906 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Benard, WL, Kahn, H., Heuer, AH & Huff, MA Microbombas accionadas por aleación con memoria de forma de película delgada. J. Microelectromecánica. Sistema. 7, 245–251 (1998).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, W. & Eitel, RE Una microbomba piezoeléctrica de cerámica multicapa integrada para sistemas de microfluidos. J. Intel. Madre. Sistema. Estructura. 24, 1637-1646 (2013).

Artículo de Google Scholar

Ma, H.-K., Luo, W.-F. y Lin, J.-Y. Desarrollo de una microbomba piezoeléctrica con novedoso diseño separable para aplicaciones médicas. Sens. Actuadores A Phys. 236, 57–66 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Li, Z. y col. El mecanismo para bombear fluidos de gran volumen mediante un cierre reversible de elastómero dieléctrico. J. Aplica. Física. 122, 084503 (2017).

ADS del artículo Google Scholar

Mao, G. y col. Diseño y caracterización de una bomba peristáltica de elastómero dieléctrico blando accionada por carga electromecánica. Trans. IEEE/ASME. Mecatrón. 23, 2132-2143 (2018).

Artículo de Google Scholar

Chee, PS, Mah, CK & Ali, MSM Actuador de elastómero dieléctrico suave para aplicación de microbomba. En 2016, IEEE 29.ª Conferencia internacional sobre sistemas microelectromecánicos (MEMS), vols 2016-febrero 561–564 (IEEE, 2016).

Maffli, L., Rosset, S. & Shea, HR Actuadores de elastómero dieléctrico de cierre: caracterización, diseño y modelado. Madre inteligente. Estructura. 22, 104013 (2013).

ADS del artículo Google Scholar

Xia, F., Tadigadapa, S. y Zhang, QM Bomba de microfluidos a base de polímero electroactivo. Sens. Actuadores A Phys. 125, 346–352 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Nguyen, TT, Goo, NS, Nguyen, VK, Yoo, Y. & Park, S. Diseño, fabricación y caracterización experimental de una microbomba IPMC con válvula de mariposa con un diafragma con soporte flexible. Sens. Actuadores A Phys. 141, 640–648 (2008).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, J., McDaid, AJ, Lu, CZ y Aw, KC Una bomba compacta sin válvula accionada por compuesto de polímero-metal iónico (IPMC) para la administración de medicamentos. Trans. IEEE/ASME. Mecatrón. 22, 196-205 (2017).

Artículo de Google Scholar

Nam, DNC & Ahn, KK Diseño de un diafragma IPMC para aplicación de microbomba. Sens. Actuadores A Phys. 187, 174–182 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Sideris, EA, De Lange, HC y Hunt, A. Una bomba de microfluidos peristáltica lineal impulsada por compuesto metálico de polímero iónico (IPMC). Robot IEEE. Automático. Letón. 5, 6788–6795 (2020).

Artículo de Google Scholar

Wu, Y. et al. TITAN: una bomba de microfluidos basada en polímero conductor. Madre inteligente. Estructura. 14, 1511 (2005).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Ogawa, N., Hashimoto, M., Takasaki, M. & Hirai, T. Evaluación de características de actuadores de gel de PVC. En 2009, Conferencia Internacional IEEE/RSJ sobre Robots y Sistemas Inteligentes 2898–2903 (IEEE, 2009). https://doi.org/10.1109/IROS.2009.5354417.

Li, Y., Li, Y. & Hashimoto, M. Actuador de gel de PVC plano de bajo voltaje con alto rendimiento. Sens. Actuadores B Chem. 282, 482–489 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Li, Y., Guo, M. & Li, Y. Avances recientes en geles de PVC plastificado para dispositivos y actuadores blandos: una revisión. J. Mater. Química. C 7, 12991–13009 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Hwang, T., Frank, Z., Neubauer, J. & Kim, KJ Actuador muscular artificial de gel de cloruro de polivinilo de alto rendimiento con óxido de grafeno y plastificante. Ciencia. Rep. 9, 9658 (2019).

ADS del artículo Google Scholar

Li, Y. & Hashimoto, M. Músculos artificiales a base de gel de PVC: caracterizaciones y construcciones modulares de actuación. Sens. Actuadores A Phys. 233, 246–258 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Li, Y. et al. Diseño y creación de prototipos de una novedosa pinza que utiliza actuadores blandos de gel de PVC. Japón. J. Aplica. Física. 60, 087001 (2021).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Li, Y., Maeda, Y. & Hashimoto, M. Polainas de gel ligeras, suaves y de rigidez variable para ayudar a caminar. En t. J. Adv. Robot. Sistema. 12, 175 (2015).

Google Académico

Schnell, G. Medición de flujos de líquidos muy pequeños. Exp. Termia. Ciencia fluida. 15, 406–412 (1997).

Artículo CAS Google Scholar

Lippmann, JM & Pisano, AP Tiempo de vuelo de la burbuja: un método simple para medir flujos de microlitros por minuto sin calibración. Sens. Actuadores A Phys. 177, 60–66 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Schlatter, S., Illenberger, P. y Rosset, S. Peta-pico-Voltron: una fuente de alimentación de alto voltaje de código abierto. HardwareX 4, e00039 (2018).

Artículo de Google Scholar

Liu, D. & Garimella, SV Investigación del flujo de líquidos en microcanales. J. Termofis. Transf. de calor. 18, 65–72 (2004).

Artículo de Google Scholar

Líquido electrónico 3MTM FluorinertTM FC-43. https://multimedia.3m.com/mws/media/64889O/3m-novec-fluorinert-electronic-liquid-fc43.pdf.

Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por la subvención para investigación científica JSPS KAKENHI (número de subvención 21K14126).

Departamento de Ingeniería Mecánica y de Sistemas Inteligentes, Universidad de Electrocomunicaciones, 1-5-1 Chofugaoka, Chofu, Tokio, 182-8585, Japón

Tomoki Motohashi y Jun Shintake

Laboratorio de polímeros, Centro de ciencia e innovación, Mitsubishi Chemical Co., Ltd., 1000 Kamoshida-cho, Aoba-ku, Yokohama-shi, Kanagawa, 227-8502, Japón

Naoki Ogawa y Hideko Akai

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

TM: Conceptualización, metodología, recopilación de datos, redacción: preparación del borrador original, visualización e investigación. NO: Metodología, investigación, recopilación de datos, redacción: revisión y edición. HA: Metodología, redacción: revisión y edición. JS: Conceptualización, metodología, redacción: revisión, edición y supervisión.

Correspondencia a Jun Shintake.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Vídeo complementario T1.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Motohashi, T., Ogawa, N., Akai, H. et al. Microbomba peristáltica que utiliza geles de cloruro de polivinilo con superficie microestampada. Representante científico 12, 22608 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27226-3

Descargar cita

Recibido: 26 de septiembre de 2022

Aceptado: 28 de diciembre de 2022

Publicado: 30 de diciembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27226-3

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.