Dielectric elastomers are a type of electroactive polymers that have been investigated for its use in artificial muscle-like stretchable actuators. Dielectric actuators are characterized by their high energy density, large strain rate, fast response, softness, lightweight, and low cost. To apply elastomers in various conditions and structures, numerous actuator configurations were designed. A spring roll actuator is composed of a thin dielectric elastomer sheet wrapped around a spring core. This configuration converts the dielectric membrane’s expansion into linear motion. As a result, upon voltage activation, a muscle-like movement is produced. In this paper, designing of spring roll actuator based artificial muscle is proposed. To optimize the performance for its use in wearable applications, the dynamic response is analyzed through actuator modeling and simulation. In addition, actuator optimization through mechanical annealing is explored as well. In conclusion, we propose a general model of spring roll dielectric elastomer actuator and optimized design parameters based on dynamic analysis and mechanical annealing.
유전 탄성체 구동기는 전기 활성 폴리머의 일종으로 실제 근육과 유사한 신축성을 가지기 때문에 인공 근육으로서 활발히 연구되고 있다. 특히 유전 탄성체 구동기는 높은 에너지 밀도, 높은 변형율, 빠른 반응 속도, 유연성, 경량성, 그리고 저렴한 제작 비용 등의 장점을 가진다. 이러한 유전 탄성체 구동기를 다양한 환경에서 사용할 수 있도록 하기 위해 여러가지 응용 구조가 제안되었다. 그 중, 스프링롤 구동기는 얇은 유전 탄성체 막을 용수철에 감아서 제작하며, 원통형의 구조를 가진다. 따라서 유전 탄성체 구동기의 면 방향 팽창을 직선 운동으로 변환시켜 근육과 유사한 동작을 가능하게 한다. 본 논문에서는 실제 웨어러블 분야에서의 응용을 위하여 스프링롤 구동기에 기반한 인공 근육 설계를 제안한다. 스프링롤 구동기에 대한 이론적 모델링과 시뮬레이션을 통하여 동적 특성을 분석하고, 구동기의 성능을 최적화하는 방안에 대해 제시한다. 또한, 기계적 어닐링을 통하여 유전 탄성체 구동기의 성능을 개선하는 방법에 대한 정보도 제공한다. 이러한 분석을 통해 스프링롤 구동기에 대한 일반적인 모델을 제시할 뿐만 아니라, 동적 특성과 기계적 어닐링에 대한 탐구를 바탕으로 다양한 분야에 응용 가능한 최적의 설계법을 제안한다.
