Электроактивный полимер

(а) Чертеж захватного устройства EAP.
(б) Прикладывается напряжение, и пальцы EAP деформируются, чтобы высвободить мяч.
(c) Когда напряжение снимается, пальцы EAP возвращаются к своей первоначальной форме и захватывают мяч.

Электроактивный полимер ( ЭАП ) – это полимер , который меняет размер или форму при стимуляции электрическим полем . Чаще всего этот тип материала применяется в приводах. и датчики . Типичным характерным свойством EAP является то, что они подвергаются значительной деформации, выдерживая при этом большие силы .

Большинство исторических приводов изготовлены из керамических пьезоэлектрических материалов. Хотя эти материалы способны выдерживать большие силы, обычно они деформируются лишь на доли процента. В конце 1990-х годов было продемонстрировано, что некоторые EAP могут проявлять деформацию до 380% , что намного больше, чем у любого керамического привода. Одно из наиболее распространенных применений EAP - в области робототехники при разработке искусственных мышц; таким образом, электроактивный полимер часто называют искусственной мышцей .

История

Область ЭАП возникла еще в 1880 году, когда Вильгельм Рентген поставил эксперимент, в котором проверял влияние электростатического поля на механические свойства полосы натурального каучука. Резиновая полоса закреплялась на одном конце и прикреплялась к массе на другом. Затем на резину распылили электрические заряды, и было замечено, что длина изменилась. Именно в 1925 году был открыт первый пьезоэлектрический полимер ( Электрет ). Электрет был получен путем объединения карнаубского воска , канифоли и пчелиного воска с последующим охлаждением раствора под воздействием постоянного тока электрического смещения . Затем смесь затвердевала в полимерный материал, проявляющий пьезоэлектрический эффект .

Полимеры, которые реагируют на условия окружающей среды, помимо приложенного электрического тока , также составляют значительную часть этой области исследований. В 1949 г. Качальский с соавт. продемонстрировали, что когда коллагеновые нити погружают в растворы кислот или щелочей , они реагируют изменением объема . Было обнаружено, что коллагеновые нити расширяются в кислом растворе и сжимаются в щелочном растворе. Хотя были исследованы и другие стимулы (например, pH ), из-за их простоты и практичности большинство исследований было посвящено разработке полимеров, которые реагируют на электрические стимулы, чтобы имитировать биологические системы.

Следующий крупный прорыв в EAP произошел в конце 1960-х годов. В 1969 году Каваи продемонстрировал, что поливинилиденфторид (ПВДФ) обладает сильным пьезоэлектрическим эффектом. Это вызвало исследовательский интерес к разработке других полимерных систем, которые продемонстрировали бы аналогичный эффект. первые электропроводящие полимеры . открыли В 1977 году Хидеки Сиракава и др. Сиракава вместе с Аланом МакДиармидом и Аланом Хигером продемонстрировали, что полиацетилен обладает электропроводностью и что, легируя его парами йода , они могут повысить его проводимость на 8 порядков. Таким образом, проводимость была близка к металлической. К концу 1980-х годов было показано, что ряд других полимеров проявляют пьезоэлектрический эффект или являются проводящими.

В начале 1990-х годов были разработаны ионные полимерно-металлические композиты (IPMC), которые продемонстрировали электроактивные свойства, намного превосходящие предыдущие EAP. Основным преимуществом IPMC было то, что они могли демонстрировать активацию (деформацию) при напряжении всего 1 или 2 вольта . Это на порядок меньше, чем у любого предыдущего EAP. Мало того, что энергия активации этих материалов была намного ниже, но они также могли подвергаться гораздо большим деформациям. Было показано, что IPMC демонстрируют деформацию до 380%, что на порядки больше, чем ранее разработанные EAP.

В 1999 году Йозеф Бар-Коэн предложил провести поединок по армрестлингу EAP Robotic Arm Against Human Challenge. Это была задача, в которой исследовательские группы по всему миру соревновались в разработке роботизированной руки, состоящей из мышц EAP, которая могла бы победить человека в поединке по армрестлингу . Первый вызов был проведен на конференции по электроактивным полимерным приводам и устройствам в 2005 году. Еще одной важной вехой в этой области является то, что первое коммерчески разработанное устройство, включающее EAP в качестве искусственной мышцы, было произведено в 2002 году компанией Eamex в Японии. Это устройство представляло собой рыбу, которая могла плавать самостоятельно, двигая хвостом с помощью ВП-мышцы. Однако прогресс в практическом развитии не был удовлетворительным.

Финансируемое DARPA исследование в SRI International в 1990-х годах под руководством Рона Пелрайна разработало электроактивный полимер с использованием силиконовых и акриловых полимеров; В 2003 году технология была передана компании Artificial Muscle , а промышленное производство началось в 2008 году. В 2010 году Artificial Muscle стала дочерней компанией Bayer MaterialScience .

Типы

EAP может иметь несколько конфигураций, но обычно делится на два основных класса: диэлектрические и ионные.

Диэлектрик

Диэлектрические EAP — это материалы, в которых срабатывание вызвано электростатическими силами между двумя электродами, сжимающими полимер. Диэлектрические эластомеры способны выдерживать очень высокие деформации и по своей сути представляют собой конденсатор, который меняет свою емкость при приложении напряжения, позволяя полимеру сжиматься по толщине и расширяться по площади под действием электрического поля. Этот тип EAP обычно требует большого напряжения срабатывания для создания сильных электрических полей (от сотен до тысяч вольт ), но при очень низком . потреблении электроэнергии Диэлектрические EAP не требуют энергии для удержания привода в заданном положении. Примерами являются электрострикционные полимеры и диэлектрические эластомеры.

Сегнетоэлектрические полимеры

Сегнетоэлектрические полимеры представляют собой группу кристаллических полярных полимеров, которые также являются сегнетоэлектриками , что означает, что они поддерживают постоянную электрическую поляризацию , которую можно изменить или переключить во внешнем электрическом поле . Сегнетоэлектрические полимеры, такие как поливинилиденфторид (ПВДФ), используются в акустических преобразователях и электромеханических приводах из-за присущего им пьезоэлектрического отклика, а также в качестве тепловых датчиков из-за присущего им пироэлектрического отклика.

Рисунок 1: Структура поливинилиденфторида.

Электрострикционные привитые полимеры

Рисунок 2: Рисунок электрострикционного привитого полимера.

Электрострикционные привитые полимеры состоят из гибких основных цепей с разветвленными боковыми цепями. Боковые цепи соседних полимеров основной цепи сшиваются и образуют кристаллические единицы. Кристаллические единицы основной и боковой цепи затем могут образовывать поляризованные мономеры, которые содержат атомы с частичными зарядами и генерируют дипольные моменты, как показано на рисунке 2. При приложении электрического поля к каждому частичному заряду прикладывается сила, вызывающая вращение всего полимерного звена. Это вращение вызывает электрострикционную деформацию и деформацию полимера.

Жидкокристаллические полимеры

Жидкокристаллические полимеры с основной цепью имеют мезогенные группы, связанные друг с другом гибким спейсером. Мезогены внутри основной цепи образуют мезофазную структуру, заставляя сам полимер принимать конформацию, совместимую со структурой мезофазы. Прямое соединение жидкокристаллического порядка с конформацией полимера вызвало большой интерес к жидкокристаллическим эластомерам с основной цепью. Синтез высокоориентированных эластомеров приводит к термическому воздействию с большой деформацией вдоль направления полимерной цепи с изменением температуры, что приводит к уникальным механическим свойствам и потенциальному применению в качестве механических приводов.

ионный

Ионные EAP — это полимеры, в которых срабатывание вызвано перемещением ионов внутри полимера. Для срабатывания требуется всего несколько вольт, но ионный поток подразумевает более высокую электрическую мощность, необходимую для срабатывания, а также энергию, необходимую для удержания привода в заданном положении. Примерами ионных EAPS являются проводящие полимеры , ионные композиты полимер-металл (IPMC) и чувствительные гели. Еще одним примером является гелевый актуатор Бакки, который представляет собой слой полиэлектролитного материала на полимерной основе, состоящий из ионной жидкости, зажатой между двумя электродными слоями, состоящими из геля ионной жидкости, содержащей одностенные углеродные нанотрубки . Название происходит от сходства геля с бумагой, которую можно получить путем фильтрации углеродных нанотрубок, так называемой буки-бумаги .

Электрореологическая жидкость

Основная статья: Электрореологическая жидкость

Рисунок 3: Катионы в ионном композите полимер-металл ориентированы случайным образом в отсутствие электрического поля. При приложении поля катионы собираются на стороне полимера, контактирующей с анодом, вызывая изгиб полимера.

Электрореологические жидкости изменяют вязкость раствора при приложении электрического поля. Жидкость представляет собой суспензию полимеров в жидкости с низкой диэлектрической проницаемостью. При приложении большого электрического поля вязкость суспензии увеличивается. Потенциальные области применения этих жидкостей включают амортизаторы, опоры двигателя и акустические демпферы.

Ионный полимер-металлический композит

Основная статья: Ионный полимерно-металлический композит

Ионные полимерно-металлические композиты состоят из тонкой иономерной мембраны с нанесенными на ее поверхность электродами из благородных металлов. Он также содержит катионы для балансировки заряда анионов, прикрепленных к основной цепи полимера. Это очень активные приводы , которые демонстрируют очень высокую деформацию при низком приложенном напряжении и низкий импеданс. Ионные полимерно-металлические композиты работают за счет электростатического притяжения между катионными противоионами и катодом приложенного электрического поля, схематическое изображение показано на рисунке 3. Эти типы полимеров демонстрируют наибольшие перспективы для биомиметического использования, поскольку коллагеновые волокна по существу представляют собой состоит из природных заряженных ионных полимеров. Нафион и Флемион — широко используемые ионно-полимерные металлокомпозиты.

Стимулирующие гели

Гели, реагирующие на стимулы (гидрогели, когда набухающий агент представляет собой водный раствор), представляют собой особый вид набухающих полимерных сеток с поведением объемного фазового перехода. Эти материалы обратимо изменяют свой объем, оптические, механические и другие свойства при очень небольших изменениях определенных физических (например, электрического поля, света, температуры) или химических (концентраций) раздражителей. Изменение объема этих материалов происходит за счет набухания/сжатия и основано на диффузии. Гели обеспечивают наибольшее изменение объема твердотельных материалов. В сочетании с превосходной совместимостью с технологиями микропроизводства гидрогели, особенно реагирующие на стимулы, вызывают все больший интерес для микросистем с датчиками и исполнительными механизмами. Текущими областями исследований и приложений являются химические сенсорные системы, микрофлюидика и мультимодальные системы визуализации.

Сравнение диэлектрических и ионных ЭАП

Диэлектрические полимеры способны удерживать индуцированное смещение при активации постоянным напряжением. Это позволяет рассматривать диэлектрические полимеры для применения в робототехнике. Эти типы материалов также обладают высокой плотностью механической энергии и могут эксплуатироваться на воздухе без существенного снижения производительности. Однако диэлектрические полимеры требуют очень высоких полей активации (> 10 В/мкм), близких к уровню пробоя.

С другой стороны, для активации ионных полимеров требуется всего 1-2 вольта. Однако им необходимо сохранять влажность, хотя некоторые полимеры были разработаны как автономные инкапсулированные активаторы, что позволяет их использовать в сухих средах. Ионные полимеры также имеют низкую электромеханическую связь. Однако они идеально подходят для биомиметических устройств.

Характеристика

Хотя существует множество различных способов характеристики электроактивных полимеров, здесь будут рассмотрены только три: кривая напряжение-деформация, динамический механический термический анализ и диэлектрический термический анализ.

Кривая напряжение-деформация

Основная статья: Кривая напряжение-деформация

Рисунок 4: Ненагруженный полимер самопроизвольно образует складчатую структуру, при приложении напряжения полимер восстанавливает свою первоначальную длину.

Кривые напряжения-деформации предоставляют информацию о механических свойствах полимера, таких как хрупкость, эластичность и предел текучести полимера. Это достигается путем приложения силы к полимеру с одинаковой скоростью и измерения возникающей в результате деформации. Пример этой деформации показан на рисунке 4. Этот метод полезен для определения типа материала (хрупкий, прочный и т. д.), но это разрушительный метод, поскольку напряжение увеличивается до тех пор, пока полимер не сломается.

Динамический механический термический анализ (ДМТА)

Основная статья: Динамический механический анализ

Оба динамических механических анализа представляют собой неразрушающий метод, который полезен для понимания механизма деформации на молекулярном уровне. В ДМТА к полимеру прикладывается синусоидальное напряжение, и на основе деформации полимера получаются модуль упругости и характеристики демпфирования (при условии, что полимер представляет собой затухающий гармонический осциллятор ). Эластичные материалы принимают механическую энергию напряжения и преобразуют ее в потенциальную энергию, которую впоследствии можно восстановить. Идеальная пружина будет использовать всю потенциальную энергию, чтобы восстановить свою первоначальную форму (без демпфирования), тогда как жидкость будет использовать всю потенциальную энергию для движения, никогда не возвращаясь в исходное положение или форму (высокое демпфирование). Вязкоэластичный полимер будет демонстрировать комбинацию обоих типов поведения.

Диэлектрический термический анализ (ДЭТА)

Основная статья: Диэлектрический термический анализ

ДЭТА похож на ДМТА, но вместо переменной механической силы применяется переменное электрическое поле. Приложенное поле может привести к поляризации образца, и если полимер содержит группы, имеющие постоянные диполи (как на рисунке 2), они выровняются в соответствии с электрическим полем. Диэлектрическая проницаемость может быть измерена по изменению амплитуды и разделена на компоненты диэлектрического накопления и потерь. Поле электрического смещения также можно измерить, отслеживая ток. Как только поле будет удалено, диполи снова релаксируют и примут случайную ориентацию.

Приложения

Рисунок 5: Рисунок руки, управляемой EAP. При приложении напряжения (синие мышцы) полимер расширяется. При снятии напряжения (красные мышцы) полимер возвращается в исходное состояние.

Материалам EAP можно легко придавать различные формы благодаря простоте обработки многих полимерных материалов, что делает их очень универсальными материалами. Одним из потенциальных применений EAP является то, что их потенциально можно интегрировать в микроэлектромеханические системы (MEMS) для создания интеллектуальных приводов.

Искусственные мышцы

В качестве наиболее перспективного практического направления исследований ЭАП нашли применение в искусственных мышцах . Их способность имитировать работу биологических мышц с высокой вязкостью разрушения , большой нагрузкой при срабатывании и собственным демпфированием вибрации привлекает внимание ученых в этой области. EAP даже успешно использовались для создания раздачи.

Тактильные дисплеи

В последние годы «электроактивные полимеры для обновляемых Брайля » дисплеев появился, чтобы помочь слабовидящим быстро читать и общаться с помощью компьютера. Эта концепция основана на использовании привода EAP, сконфигурированного в виде массива. Ряды электродов на одной стороне пленки EAP и столбцы на другой активируют отдельные элементы массива. Каждый элемент монтируется с помощью точки Брайля и опускается за счет приложения напряжения по толщине выбранного элемента, вызывая локальное уменьшение толщины. Под управлением компьютера точки будут активироваться для создания тактильных паттернов максимумов и минимумов, представляющих информацию, которую нужно прочитать.

Рисунок 6: Тактильный дисплей высокого разрешения, состоящий из 4320 (60x72) исполнительных пикселей на основе гидрогелей, реагирующих на стимулы. Плотность интеграции устройства составляет 297 компонентов на см². Этот дисплей дает визуальное (монохромное) и физическое (контуры, рельеф, текстуры, мягкость) впечатления от виртуальной поверхности.

Визуальные и тактильные впечатления от виртуальной поверхности отображаются на тактильном дисплее высокого разрешения, так называемой «искусственной коже» (рис. 6). Эти монолитные устройства состоят из множества тысяч мультимодальных модуляторов (пикселей-актюаторов) на основе гидрогелей, реагирующих на стимулы. Каждый модулятор способен индивидуально менять свою передачу, высоту и мягкость. Помимо возможности использования в качестве графических дисплеев для слабовидящих, такие дисплеи интересны в качестве свободно программируемых клавиш тачпадов и консолей.

Микрофлюидика

Материалы EAP имеют огромный потенциал для микрофлюидики, например, в качестве систем доставки лекарств , микрофлюидных устройств и лабораторий на чипе . Первая технология микрофлюидной платформы, описанная в литературе, основана на гелях, реагирующих на стимулы. Чтобы избежать электролиза воды, микрофлюидные устройства на основе гидрогеля в основном основаны на термочувствительных полимерах с характеристиками более низкой критической температуры растворения (LCST), которые контролируются электротермическим интерфейсом. Известны два типа микронасосов: диффузионный микронасос и поршневой микронасос. Микроклапаны на основе гидрогелей, чувствительных к раздражителям, обладают некоторыми преимуществами, такими как устойчивость к частицам, отсутствие утечек и исключительная устойчивость к давлению. Помимо этих стандартных микрофлюидных компонентов, гидрогелевая платформа включает в себя также химические датчики. и новый класс микрожидкостных компонентов — химические транзисторы (также называемые хемостатическими клапанами). Эти устройства регулируют поток жидкости при достижении пороговой концентрации определенного химического вещества. Химические транзисторы составляют основу микрохемомеханических жидкостных интегральных схем. «Химические ИС» обрабатывают исключительно химическую информацию, имеют автономное питание, работают автоматически и способны к крупномасштабной интеграции.

Другая микрофлюидная платформа основана на иономерных материалах. Насосы, изготовленные из этого материала, могут работать при низком напряжении ( от батареи ), иметь чрезвычайно низкий уровень шума, высокую эффективность системы и очень точный контроль расхода.

Еще одна технология, которая может извлечь выгоду из уникальных свойств приводов EAP, — это оптические мембраны. Благодаря низкому модулю и механическому сопротивлению приводов они хорошо сочетаются с обычными материалами оптических мембран . Кроме того, один исполнительный механизм EAP способен создавать смещения в диапазоне от микрометров до сантиметров. По этой причине эти материалы можно использовать для статической коррекции формы и подавления джиттера. Эти приводы также можно использовать для коррекции оптических аберраций, вызванных атмосферными помехами.

Поскольку эти материалы обладают превосходными электроактивными свойствами, материалы EAP демонстрируют потенциал в биомиметических исследованиях роботов, датчиков напряжения и акустики , что сделает EAP более привлекательной темой исследования в ближайшем будущем. Они использовались для различных приводов, таких как мышцы лица и мышцы рук гуманоидных роботов.

Будущие направления

Область EAP еще далека от зрелости, поэтому остается ряд проблем, над которыми еще предстоит работать. Производительность и долговременную стабильность EAP следует улучшить за счет создания водонепроницаемой поверхности . Это предотвратит испарение воды, содержащейся в EAP, а также уменьшит потенциальную потерю положительных противоионов, когда EAP работает погруженным в водную среду. Улучшение проводимости поверхности следует исследовать, используя методы создания бездефектной проводящей поверхности. Возможно, это можно сделать с помощью осаждения из паровой фазы металла или других методов легирования. Также возможно использовать проводящие полимеры для формирования толстого проводящего слоя. Было бы желательно, чтобы термостойкий EAP позволял работать при более высоких напряжениях без повреждения внутренней структуры EAP из-за выделения тепла в композите EAP. Разработка EAP в различных конфигурациях (например, волокон и пучков волокон) также была бы полезна для увеличения диапазона возможных режимов движения.

См. также

• Пневматические искусственные мышцы
• Искусственные мышцы

Дальнейшее чтение

• Электроактивные полимерные (EAP) приводы как искусственные мышцы – реальность, потенциал и проблемы , ISBN   978-0819452979
• Электроактивные полимеры как искусственные мышцы: реальность и проблемы
• Электроактивные полимеры для зондирования