Ионные полимерно-металлические композиты

Принципы приведения в действие IPMC, сбора энергии и обнаружения. Когда к электродам прикладывается напряжение (электрическое поле), положительно заряженные сопряженные и гидратированные катионы в молекулярной сети мембраны отталкиваются анодом и мигрируют к отрицательному электроду или катоду, неся с собой гидратированные молекулы воды. Эта миграция создает градиент осмотического давления через мембрану, заставляя полосу IPMC изгибаться или деформироваться впечатляющим образом. ^[1] С другой стороны, механическое изгибание или деформация полос IPMC заставляет сопряженные катионы перемещаться, и это создает электрический потенциал, выходное напряжение и переходный ток (собирание энергии, режимы обнаружения) на основе теорий поля Пуассона–Нернста–Планка . Гидратированные молекулы воды связываются с катионами по мере их миграции. Однако если имеются негидратированные свободные молекулы воды, увлекаемые гидратированными катионами в качестве дополнительной массы к аноду, то после достижения равновесия изгиба или деформации свободные молекулы воды текут обратно к катоду, и может наблюдаться некоторая обратная релаксация.

Ионные полимерно-металлические композиты ( IPMC ) представляют собой синтетические композитные наноматериалы, которые демонстрируют искусственное поведение мышц под действием приложенного напряжения или электрического поля. IPMC состоят из ионного полимера , такого как Nafion или Flemion , поверхности которого химически или физически покрыты проводниками, такими как платина или золото. Под действием приложенного напряжения (1–5 В для типичных образцов размером 10 мм × 40 мм × 0,2 мм ) миграция и перераспределение ионов из-за приложенного напряжения по полосе IPMC приводят к деформации изгиба. Кроме того, IPMC могут быть ионным гидрогелем, который погружается в раствор электролита и косвенно подключается к электрическому полю. ^[2]

Если покрытые электроды расположены в несимметричной конфигурации, приложенное напряжение может вызывать различные деформации, такие как скручивание, прокатка, кручение, поворот, закручивание, вихреобразование и несимметричную изгибную деформацию. В качестве альтернативы, если такие деформации физически применяются к полоскам IPMC, они генерируют выходной сигнал напряжения (несколько милливольт для типичных небольших образцов) в качестве датчиков и сборщиков энергии. IPMC представляют собой тип электроактивного полимера . Они очень хорошо работают в жидкой среде, а также на воздухе. Они имеют плотность силы около 40 в конфигурации кантилевера, что означает, что они могут генерировать силу наконечника почти в 40 раз больше их собственного веса в режиме кантилевера. IPMC при приведении в действие, считывании и сборе энергии имеют очень широкую полосу пропускания до килогерц и выше. ИПМК были впервые представлены в 1998 году Шахинпуром, Бар-Коэном, Сюэ, Симпсоном и Смитом (см. ссылки ниже), но первоначальная идея ионно-полимерных приводов и датчиков восходит к 1992-93 годам, когда ее выдвинули Адольф, Шахинпур, Сегалман, Витковски, Осада, Окузаки, Хори, Дои, Мацумото, Хиросе, Огуро, Такенака, Асака и Кавами, как показано ниже:

1-Segalman DJ, Witkowski WR, Adolf DB, Shahinpoor M., "Теория и применение электрически управляемых полимерных гелей", Int. Journal of Smart Material and Structures, т. 1, стр. 95–100, (1992)
2-Shahinpoor M., "Концептуальное проектирование, кинематика и динамика плавающих роботизированных структур с использованием ионных полимерных гелевых мышц", Int. Journal of Smart Material and Structures, т. 1, стр. 91–94, (1992)
3-Y. Osada, H. Okuzaki и H. Hori, "Полимерный гель с электрически управляемой подвижностью", Nature, т. 1, стр. 11–12, (1992) 355, стр. 242–244, (1992)
4-Огуро К., Кавами Й. и Такенака Х., «Изгиб ионопроводящего полимерного пленочного электродного композита под действием электрического стимула при низком напряжении», Trans. J. Micro-Machine Society, т. 5, стр. 27–30, (1992)
5-М. Дои, М. Марсумото и Й. Хиросе, «Деформация ионных гелей под действием электрических полей», Macromolecules, т. 25, стр. 5504–5511, (1992)
6-Oguro, K., K. Asaka и H. Takenaka, "Привод полимерной пленки, управляемый низким напряжением", в Трудах 4-го Международного симпозиума по микромашинам и наукам о человеке", Нагоя, стр. 38–40, (1993)
7-Adolf D., Shahinpoor M., Segalman D., Witkowski W., "Электрически управляемые приводы на основе полимерного геля", Патентное ведомство США, Патент США № 5,250,167, выдан 5 октября (1993)
8-Oguro K., Kawami Y. и Takenaka H., "Элемент привода", Патентное ведомство США, Патент США № 5,268,082, выдан 7 декабря (1993)

За этими патентами последовали дополнительные связанные патенты:

9-Shahinpoor, M., "Пружинный линейный актуатор на основе ионного полимерного геля", Патентное ведомство США, Патент США № 5,389,222, выдан 14 февраля (1995 г.)
10-Shahinpoor, M. и Mojarrad, M., "Мягкие актуаторы и искусственные мышцы", Патентное ведомство США, Патент США 6,109,852, выдан 29 августа (2000 г.)
11-Shahinpoor, M. и Mojarrad, M., "Датчики и актуаторы на основе ионного полимера", Патентное ведомство США, № 6,475,639, выдан 5 ноября (2002 г.)
12-Shahinpoor, M. и Kim, KJ, "Способ изготовления сухой электроактивной полимерной синтетической мышцы", Патентное ведомство США, Патент № 7,276,090, выдан 2 октября (2007 г.)
Следует также упомянуть, что Танака, Нишио и Сан представили явление ионного гелевого коллапса в электрическом поле:
13-T. Tanaka, I. Nishio и ST Sun, «Коллапс гелей в электрическом поле», Science, т. 218, стр. 467–469, (1982 г.)

Следует также упомянуть, что Хэмлен, Кент и Шафер ввели электрохимическое сокращение ионных полимерных волокон:

14-RP Hamlen, CE Kent и SN Shafer, «Электролитически активированный сократительный полимер», Nature, т. 206, № 4989, стр. 1140–1141, (1965)

Также следует отдать должное Дарвину Г. Колдуэллу и Полу М. Тейлору за ранние работы по химически стимулированным гелям в качестве искусственных мышц:

15-Дарвин Г. Колдуэлл и Пол М. Тейлор, «Химически стимулированное псевдомышечное приведение в действие», Международный журнал инженерных наук, том 28, выпуск 8, стр. 797–808, (1990)

Ссылки

1. Набор ионных полимерных металлических композитов (IPMC), редактор: Мохсен Шахинпур, Королевское химическое общество, Кембридж, 2016, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-720-3
2. Дуань, Сянъюй; Ю, Цзинъи; Чжу, Ясюнь; Чжэн, Чжицян; Ляо, Цихуа; Сяо, Юкун; Ли, Юаньюань; Он, Зипан; Чжао, Ян; Ван, Хуапин; Цюй, Лянти (24 ноября 2020 г.). «Крупномасштабный подход к производству вязаного гидрогелевого волокна для мягких роботов». АСУ Нано . 14 (11): 14929–14938. doi : 10.1021/acsnano.0c04382. ISSN  1936-0851. PMID  33073577. S2CID  224780407.

Внешние ссылки

• M. Shahinpoor, Y. Bar-Cohen, JO Simpson и J. Smith "Ионные полимерные металлические композиты (IPMC) как биомиметические датчики, приводы и искусственные мышцы - обзор", Int. J. Smart Materials and Structures, т. 7, № 6, стр. R15-R30, (1998)
• Shahinpoor, M.; Bar-Cohen, Y.; Xue, T.; Simpson, JO и Smith, J. «Ионные полимерно-металлические композиты (IPMC) как биомиметические датчики и приводы», Труды 5-го ежегодного международного симпозиума SPIE по интеллектуальным структурам и материалам ^{[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]} , 1–5 марта 1998 г., Сан-Диего, Калифорния . Статья № 3324-27. ^{[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]}
• С. Немат-Нассер и К. Томас, «Электроактивные полимерные (ЭАП) актуаторы как искусственные мышцы – реальность, потенциал и проблемы», Иономерные полимерно-металлические композиты, под редакцией Бар-Коэна, SPIE, глава 6 [139] 2001.
• Привод IPMC

• KHAWWAF, Jasim и др. Надежное отслеживание управления приводом IPMC с использованием несингулярного скользящего режима терминала. Smart Materials and Structures, 2017, 26.9: 095042.