Smart Opto-mechanical actuators for tactile applications

Abstract

La discapacitat visual és una greu amenaça que limita la capacitat de les persones per comunicar-se. Amb els anys, s’han explorat diverses propostes tecnològiques basades tan en estímuls auditius com tàctils per aportar solucions reals a la gent que pateix aquest tipus de discapacitat. Entre les més rellevants destaquen les tècniques d’audiodescripció i els dispositius Braille basats en actuació piezoelèctrica, que són els que actualment es troben al mercat. A dia d’avui, al vell mig de la cursa tecnològica, hi ha una demanda creixent de comunicació rica i fluida mitjançant el tacte. Tan és així que la majoria interruptors, botons i tecles de gran part dels dispositius electrònics del nostre entorn estan essent substituïts per pantalles tàctils, afegint barreres físiques i augmentant les dificultats de comunicació de les persones cegues. Noves generacions de materials, principalment els polímers, han despertat un gran interès en els darrers anys gràcies a les seves atractives propietats, que poden adaptar-se a la carta en funció de les necessitats. De tots ells, els elastòmers de cristalls líquids, LCE, en són un clar exemple. Els LCE tenen la capacitat intrínseca d’auto-organitzar-se a nivell molecular, desencadenant canvis controlats i totalment reversibles en les seves dimensions a escala macroscòpica, en resposta a diversos tipus d’estímuls externs; canvis que poden adaptar-se per desenvolupar actuadors capaços de produir tan esforços mecànics de tracció com d’empenta. La recerca presentada en aquesta tesi descriu les principals característiques dels LCE des del punt de vista de l’enginyeria i discuteix les seves possibles aplicacions com a actuadors, amb el principal objectiu d’aportar solucions innovadores als actuals sistemes tàctils, a partir del disseny, fabricació i caracterització de diferents actuadors basats en aquests materials i la seva foto-actuació a partir de llum visible. Propostes que combinen tècniques de processament de materials i tecnologia de microsistemes per aportar solucions tecnològiques innovadores cap a una nova generació d’actuadors intel·ligents.

La discapacidad visual es una grave amenaza que limita la capacidad de las personas para comunicarse. Con los años. Se han explorado diversas propuestas tecnológicas basadas tanto en estímulos auditivas como en estímulos táctiles para aportar soluciones reales al colectivo que sufre este tipo de discapacidad. Entre las más relevantes destacan las técnicas de audio descripción y los dispositivos Braille basados en actuación piezoeléctrica, que son los que actualmente se encuentran en el mercado. A día de hoy, en medio de la carrera tecnológica, hay una demanda creciente de comunicación rica y fluida a través del tacto. Tanto es así que la mayoría de los interruptores, botones y teclas de gran parte de los dispositivos electrónicos a nuestro alcance están siendo reemplazados por pantallas táctiles, añadiendo barreras físicas y aumentando las dificultades de comunicación de las personas ciegas. Nuevas generaciones de materiales, principalmente los polímeros, han despertado un gran interés en los últimos años gracias a sus atractivas propiedades, que pueden adaptarse a la carta en función de las necesidades. De todos ellos, los elastómeros de cristales líquidos, LCE, son un claro ejemplo. Los LCE tienen la capacidad intrínseca de auto-organizarse a nivel molecular, produciendo cambios controlados y totalmente reversibles de sus dimensiones a escala macroscópica, en respuesta a varios tipos de estímulos externos; cambios que pueden adaptarse a demanda para desarrollar actuadores capaces de producir distintos tipos de esfuerzos mecánicos de tracción. La investigación recogida y presentada en este documento de tesis describe las principales características de los LCE desde el punto de vista de la ingeniería y discute sus posibles aplicaciones cómo actuadores, con el principal objetivo de aportar soluciones innovadoras a los actuales sistemas táctiles, a partir del diseño, fabricación y caracterización de distintos actuadores basados en estos materiales y su foto-actuación a partir de luz visible. Propuestas que combinan técnicas de procesado de materiales y tecnología de microsistemas para aportar soluciones tecnológicas innovadoras hacia una nueva generación de actuadores inteligentes.

Visual disability is a serious threat that limits the persons’ ability to communicate. Over the years several attempts for the development of technologies based on audio and tactile stimuli have been explored to provide real solutions to individuals with this disability. Among them, audio description techniques and Braille devices based on piezoelectric actuation are the most relevant solutions on the market. Nowadays, with all the technological improvements, there is a growing demand for rich communication through touch. Thus switches, buttons and keyboards of most commonly used electrical devices are being replaced by tactile displays, adding new physical barriers and increasing communications difficulties of blind people. New generation of materials, especially soft polymer composites, have been of increased interest in the last few years due to their many attractive properties, which can be tailored on demand to achieve a broad range of requirements. Liquid-crystalline elastomers, LCE, are a clear example. Such materials possess the intrinsic ability to self-organize at molecular level resulting in a controllable and fully reversible change on their dimensions at macroscale in response to applied external stimuli, which can be easily adapted to make actuators producing pulling or pushing forces. The research presented in this thesis describes the main characteristics of LCE materials from engineering point of view and discusses their potential applications as actuators with the main objective to provide innovative solutions towards current tactile available systems, through the design, fabrication and characterization of different actuator approaches based on these interesting elastomeric materials and their photo-induced actuation using visible light. Novel approaches combining material processing techniques and microsystems technology to provide original solutions towards a new generation of smart actuators.