Digital fabrication of optical elements through inkjet printing of direct photocurable hybrid inks

La tecnología de impresión inkjet permite eyección controlada de gotas de tinta de volumen definido y su posicionamiento preciso en un sustrato. Esta tecnología, entre otras virtudes, ofrece una gran flexibilidad para la preparación de estructuras en superficies gracias a su carácter digital, siendo además un proceso fácilmente escalable a nivel industrial, distinguiéndose en estos aspectos de otras técnicas comúnmente utilizadas como, por ejemplo, la fotolitografía. Ya es posible, de hecho, encontrar la tecnología inkjet en aplicaciones de fabricación masiva como la impresión de cartelería o de elementos decorativos. Más allá de la impresión de texto y trabajos gráficos, la capacidad de depositar una gran variedad de materiales de manera digital en forma de recubrimientos homogéneos y patrones en superficies ha despertado gran interés para la preparación de superficies y dispositivos funcionales. Pese a ello, la penetración del inkjet en entornos industriales para la implementación de este tipo de aplicaciones es todavía muy limitada. Entre otras cosas, esto se debe a que los materiales a depositar requieren unas propiedades muy exigentes para poder ser eyectados en condiciones óptimas por los cabezales de impresión, lo que limita la disponibilidad de fluidos compatibles con esta tecnología. Por ello, se hace preciso una adaptación de la viscosidad de los fluidos para poder ser impresos sin que ello reduzca su estabilidad a lo largo de su vida útil ni se vea penalizada la funcionalidad de los depósitos finales, que han de cumplir unos requerimientos específicos, generalmente muy exigentes, para cada aplicación. Por ejemplo, en aplicaciones de micro-óptica u óptica integrada suele ser necesario que los materiales finales tengan buena transparencia y propiedades ópticas adecuadas como alto índice de refracción o luminiscencia según el caso de uso y que estas propiedades no se vean mermadas por el uso o el paso del tiempo.En este ámbito concreto de las aplicaciones de micro-óptica u óptica integrada, se encuentran en la literatura diversas aproximaciones para el desarrollo de tintas inkjet con las que implementar guías de luz o microlentes. Una de las más prometedoras consiste en la preparación de tintas basadas en materiales híbridos orgánico-inorgánicos que ofrecen una gran flexibilidad para funcionalizar el material gracias a su componente orgánica, a la vez que presentan gran resistencia mecánica y química debido a la red inorgánica. Típicamente, se lleva a cabo la hidrólisis y condensación de un organosilano y se añade un disolvente para ajustar la viscosidad de modo que la formulación sea eyectable. Una vez depositada se elimina el disolvente y se cura la parte orgánica. La necesidad de eliminar el disolvente añade complejidad al proceso. Por otro lado, los procesos de hidrólisis y condensación previos a la impresión del fluido suelen penalizar la estabilidad de las tintas. Asimismo, también es frecuente la combinación del inkjet con el uso de tecnologías adicionales como la fotolitografía para el acondicionamiento de la superficie, previo a la impresión, o procesos térmicos para la posterior fijación de la tinta en el sustrato. Si bien se ha demostrado en la literatura el desarrollo de depósitos y dispositivos de buena calidad óptica con estos materiales híbridos, la falta de estabilidad de las tintas y la complejidad de los procesos envueltos para implementar estos dispositivos ópticos limitan la integración de la tecnología inkjet a nivel industrial en estos ámbitos de aplicación.Buscando superar estas limitaciones, este trabajo se ha centrado en el desarrollo de tintas funcionales y la implementación con ellas, mediante impresión por tecnología inkjet, de elementos de micro-óptica y óptica integrada. Para ello, más allá de la formulación de tintas funcionales, se ha trabajado en la definición y optimización de todo el proceso, abordando desde la preparación de la superficie hasta el proceso de impresión y fijación de la tinta al sustrato. Con esto, se ha perseguido conseguir depósitos funcionales mediante un proceso económico y viable en un entorno industrial.Para ello, las tintas desarrolladas se han basado en precursores híbridos orgánico-inorgánicos comerciales y ampliamente empleados en la literatura. De manera distintiva, con el fin de mejorar la estabilidad de las tintas y controlar los procesos de impresión y fijación, se ha perseguido que las tintas desarrolladas no empleen disolventes y sea posible el curado simultáneo de ambas redes (orgánica e inorgánica) únicamente mediante la exposición a luz UV tras el proceso de impresión. Para ello se han incorporado en las formulaciones fotogeneradores de ácido. Además, se han incluido en las tintas los aditivos necesarios para implementar las funcionalidades deseadas y controlar su viscosidad y tensión superficial, lo que permite una adecuada eyección y mojado de las superficies, así como unas prestaciones satisfactorias para las aplicaciones perseguidas.Siguiendo esta directriz, a lo largo de esta tesis se han desarrollado diferentes tintas inkjet, libres de disolventes y de curado directo. La primera de ellas, una tinta modelo eyectable sobre la cual se han incorporado posteriormente las funcionalidades deseadas. Así, se ha preparado otra tinta que resulta en depósitos de un elevado índice de refracción que ha permitido, por un lado, la fabricación de guías de luz planares cuando se imprime como un depósito homogéneo y, por otro lado, la preparación de microlentes cuando la tinta se imprime como gotas aisladas con geometrías controladas. Finalmente, también se han formulado dos tintas luminiscentes que permiten la preparación de elementos emisores de luz.Además del diseño y formulación de las tintas, se han diseñado y optimizado los procesos que intervienen en la preparación de los depósitos con el fin de desarrollar un sistema integral viable a nivel industrial. Por un lado, se han desarrollado diferentes protocolos de preparación de superficies con el fin de controlar la mojabilidad de estas y conseguir, desde gotas aisladas con geometrías controladas y patrones de gotas, hasta líneas continuas o depósitos homogéneos. Por otro lado, el propio proceso de impresión también ha sido optimizado, ajustando la configuración correspondiente para eyectar cada una de las tintas en las condiciones deseadas. Por último, como se ha remarcado anteriormente, el proceso de fijación de la tinta sobre el sustrato también ha sido llevado a cabo exclusivamente por activación mediante luz actínica.Para poner en valor la funcionalidad de las tintas y los procesos desarrollados, se han diseñado y preparado diferentes sistemas demostradores de casos de uso en micro-óptica y óptica integrada. Por ejemplo, como se ha mencionado con anterioridad, se ha llevado a cabo la impresión de guías de luz planares sobre diferentes sustratos, incluso flexibles, patrones de microlentes con geometrías controladas y un sensor óptico de temperatura planar con indicadores luminiscentes.<br /

Development of an electrochemical maltose biosensor

In this work, electrochemical maltose biosensors based on mutants of the maltose binding protein (MBP) are developed. A ruthenium II complex (Ru II ), which is covalently attached to MBP, serves as an electrochemical reporter of MBP conformational changes. Biosensors were made through direct attachment of Ru II complex modified MBP to gold electrode surfaces. The responses of some individual mutants were evaluated using square wave voltammetry. A maltose-dependent change in Faradic current and capacitance was observed. It is therefore demonstrated that biosensors using generically this family of bacterial periplasmic binding proteins (bPBP) can be made lending themselves to facile biorecognition element preparation and low cost electrochemical transduction

PWM Control of a Buck Converter with an Amorphous Core Coil

Pulse-width modulation is widely used to control electronic converters. One of the most topologies used for high DC voltage/low DC voltage conversion is the Buck converter. It is obtained as a second order system with a LC filter between the switching subsystem and the load. The use of a coil with an amorphous magnetic material core instead of air core lets design converters with smaller size. If high switching frequencies are used for obtaining high quality voltage output, the value of the auto inductance L is reduced throughout the time. Then, robust controllers are needed if the accuracy of the converter response must not be affected by auto inductance and load variations. This paper presents a robust controller for a Buck converter based on a state space feedback control system combined with an additional virtual space variable which minimizes the effects of the inductance and load variations when a not-toohigh switching frequency is applied. The system exhibits a null steady-state average error response for the entire range of parameter variations. Simulation results are presented

Using the Own Flexibility of a Climbing Robot as a Double Force Sensor

Force sensors are used when interaction tasks are carried out by robots in general, and by climbing robots in particular. If the mechanics and electronics systems are contained inside the own robot, the robot becomes portable without external control. Commercial force sensors cannot be used due to limited space and weight. By selecting the links material with appropriate stiffness and placing strain gauges on the structure, the own robot flexibility can be used such as force sensor. Thus, forces applied on the robot tip can be measured without additional external devices. Only gauges and small internal electronic converters are necessary. This paper illustrates the proposed algorithm to achieve these measurements. Additionally, experimental results are presented

Torque control of switched reluctance motors

This paper presents the performance of an instantaneous torque control method. The simulation and experimental results illustrate the capability of Switched Reluctance Motors (SRM) being used in the motor drive industry. Based on experimental data, the advantages of this control method and its disadvantages in practical implementation were studied. The model used in the simulation is the linear magnetic model which has the 12/8 structure, the same structure as the experimental switched reluctance motor

Reprogrammable 4D printed liquid crystal elastomer photoactuators by means of light-reversible perylene diimide radicals

Reconfigurable soft actuators can be programmed to morph into different 3D shapes under the same stimulus exhibiting great potential for adaptive robotic functionalities. Liquid crystalline crosslinked materials programmed and controlled by light have demonstrated great potential in this area, however, their implementation is mainly based on azobenzene chromophores, using ultraviolet light that can potentially damage the device and its surroundings, especially if living cells are present. Here, an ink is presented, containing a green‐absorbing perylene diimide chromophore, to prepare light active liquid crystalline elastomer (LCE) actuators via direct ink writing. Green light irradiation of the LCE elements leads to photothermal actuation, but also to new absorption bands in the far‐red and near‐infrared, ascribed to the formation of radical species. Far‐red irradiation results in mechanical actuation and, advantageously, a recovery of the original absorption spectrum. This reversible transformation enables spatial reconfigurability of the actuator's response to far‐red light. The reconfigurable system gives access to complex deformation modes by simply exciting the element with homogeneous far‐red light, without the need for any structural modification of the actuator. This material strategy, using green and far‐red light, less harmful than ultraviolet, shows significant promise for future development of reconfigurable actuators for biomedical applications

Melt electrowriting of liquid crystal elastomer scaffolds with programmed mechanical response

Recently, significant advances have been achieved to precisely program the response of liquid crystal elastomers (LCEs) through extrusion-based additive manufacturing techniques; however, important challenges remain, especially when well-defined scaffolds based on ultrafine fibers are required. Here the melt electrowriting of reactive liquid crystalline inks, leading, after ultraviolet-light-induced crosslinking, to digitally positioned uniform LCE fibers with diameters ranging from hundreds of nanometers to tens of micrometers is presented, which is hardly accessible with conventional extrusion-based printing techniques. The electrowriting process induces the preferential alignment of the mesogens parallel to the fiber's axis. Such an alignment, defined by the printing path, determines the mechanical response of the crosslinked material upon stimulation. This manufacturing platform allows the preparation of open square lattice scaffolds with ultrafine fibers (a few micrometers in diameter), periods as small as 90 µm, and well-defined morphology. Additionally, the combination of accurate fiber stacking (up to 50 layers) and fiber fusion between layers leads to unprecedented microstructures composed of high-aspect-ratio LCE thin walls. The possibility of digitally controlling the printing of fibers allows the preparation complex fiber-based scaffolds with programmed and reversible shape-morphing, thus opening new avenues to prepare miniaturized actuators and smart structures for soft robotics and biomedical applications

Dynamic control of a reconfigurable stair-climbing mobility system

Electric-powered wheelchairs improve the mobility of people with physical disabilities, but the problem to deal with certain architectural barriers has not been resolved satisfactorily. In order to solve this problem, a stair-climbing mobility system (SCMS) was developed. This paper presents a practical dynamic control system that allows the SCMS to exhibit a successful climbing process when faced with typical architectural barriers such as curbs, ramps, or staircases. The implemented control system depicts high simplicity, computational efficiency, and the possibility of an easy implementation in a microprocessor-/microcontroller-based system. Finally, experiments are included to support theoretical results

Multimodal and Multistimuli 4D-Printed Magnetic Composite Liquid Crystal Elastomer Actuators

Liquid crystal elastomer (LCE)-based soft actuators are being studied for their significant shape-changing abilities when they are exposed to heat or light. Nevertheless, their relatively slow response compared with soft magnetic materials limits their application possibilities. Integration of magnetic responsiveness with LCEs has been previously attempted; however, the LCE response is typically jeopardized in high volumes of magnetic microparticles (MMPs). Here, a multistimuli, magnetically active LCE (MLCE), capable of producing programmable and multimodal actuation, is presented. The MLCE, composed of MMPs within an LCE matrix, is generated through extrusion-based 4D printing that enables digital control of mesogen orientation even at a 1:1 (LCE:MMPs) weight ratio, a challenging task to accomplish with other methods. The printed actuators can significantly deform when thermally actuated as well as exhibit fast response to magnetic fields. When combining thermal and magnetic stimuli, modes of actuation inaccessible with only one input are achieved. For instance, the actuator is reconfigured into various states by using the heat-mediated LCE response, followed by subsequent magnetic addressing. The multistimuli capabilities of the MLCE composite expand its applicability where common LCE actuators face limitations in speed and precision. To illustrate, a beam-steering device developed by using these materials is presented

Robotic pick-and-place operations in multifunctional liquid crystal elastomers

Pick-and-place operations for transporting objects precisely to a target position are a prominent function of (soft-) robotic systems. Therefore, there is great interest in industry to improve the characteristic gripping, holding, and releasing methods involved in pick-and-place operations. Within living organisms such as octopi, nature demonstrates that multiple types of conjointly working actuators are required for flexible pick-and-place operations. Herein, a multifunctional soft robotic arm is developed, capable of transporting an object within 3D space. The soft robotic arm consists of two structural actuators (rotating base and lifting unit) and a suction cup-based gripper. The structural actuator acts as both the load bearing and actuating components of the robotic system. Yet, the gripper is the crucial innovation within the robotic arm. A cephalopod-limb-inspired gripper functioning through the reversible flat-to-conical deformation of azimuthally aligned liquid crystal elastomer (LCE) films is proposed. The pressure-generating actuation mechanism of the gripper means that no external device is needed to operate the gripping function. Akin to natural systems, the in-tandem operation of the actuators in the soft robotic arm allows for multifactored tasks. Yet, the design achieves this through the use of a single material, which is not innate in natural archetypes