Электроактивный полимер ( ЭАП ) — это полимер , который демонстрирует изменение размера или формы при стимуляции электрическим полем . Наиболее распространенные применения этого типа материала — в приводах [1] и датчиках . [2] [3] Типичным характерным свойством ЭАП является то, что они будут подвергаться большой деформации, выдерживая при этом большие силы .
Большинство исторических актуаторов изготовлены из керамических пьезоэлектрических материалов. Хотя эти материалы способны выдерживать большие силы, они обычно деформируются лишь на долю процента. В конце 1990-х годов было продемонстрировано, что некоторые EAP могут демонстрировать деформацию до 380% , что намного больше, чем у любого керамического актуатора. [1] Одно из наиболее распространенных применений EAP — это робототехника при разработке искусственных мышц; таким образом, электроактивный полимер часто называют искусственной мышцей .
Область EAP возникла еще в 1880 году, когда Вильгельм Рентген разработал эксперимент, в котором он проверил влияние электростатического поля на механические свойства полоски натурального каучука. [4] Резиновая полоска была закреплена на одном конце и прикреплена к массе на другом. Затем на резину распылялись электрические заряды, и было замечено, что длина изменялась. Именно в 1925 году был открыт первый пьезоэлектрический полимер ( электрет ). Электрет был образован путем объединения карнаубского воска , канифоли и пчелиного воска , а затем охлаждения раствора, пока он подвергался приложению постоянного электрического смещения . Затем смесь затвердевала в полимерный материал, который демонстрировал пьезоэлектрический эффект .
Полимеры, которые реагируют на условия окружающей среды, отличные от приложенного электрического тока , также были большой частью этой области исследований. В 1949 году Качальски и др. продемонстрировали, что когда коллагеновые нити погружаются в кислотные или щелочные растворы, они реагируют изменением объема . [5] Было обнаружено, что коллагеновые нити расширяются в кислом растворе и сжимаются в щелочном растворе. Хотя были исследованы 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 области ЭАП произошел в конце 1960-х годов. В 1969 году Каваи продемонстрировал, что поливинилиденфторид (ПВДФ) проявляет большой пьезоэлектрический эффект. [5] Это вызвало исследовательский интерес к разработке других полимеров, которые могли бы демонстрировать аналогичный эффект. В 1977 году Хидеки Сиракава и др. открыли первые электропроводящие полимеры . [6] Сиракава вместе с Аланом МакДиармидом и Аланом Хигером продемонстрировали, что полиацетилен является электропроводящим, и что, легируя его парами йода , они могут повысить его проводимость на 8 порядков. Таким образом, проводимость была близка к проводимости металла. 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 (ИПМК), которые продемонстрировали электроактивные свойства, намного превосходящие предыдущие ЭАП. Главным преимуществом ИПМК было то, что они могли демонстрировать активацию (деформацию) при напряжениях всего 1 или 2 вольта . [5] Это на порядки меньше, чем у любого предыдущего ЭАП. Мало того, что энергия активации для этих материалов была намного ниже, они также могли подвергаться гораздо большим деформациям. Было показано, что ИПМК демонстрируют до 380% деформации, на порядки больше, чем у ранее разработанных ЭАП. [1]
В 1999 году Йозеф Бар-Коэн предложил провести армрестлинг-матч EAP Robotic Arm Against Human Challenge. [5] Это был конкурс, в котором исследовательские группы по всему миру соревновались в разработке роботизированной руки, состоящей из мышц EAP, которая могла бы победить человека в армрестлинге . Первый конкурс состоялся на конференции Electroactive Polymer Actuators and Devices в 2005 году. [5] 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. [1] Это устройство представляло собой рыбу, которая могла плавать самостоятельно, двигая хвостом с помощью мышцы EAP. Но прогресс в практической разработке не был удовлетворительным. [7]
Исследования, финансируемые DARPA в 1990-х годах в SRI International под руководством Рона Пелрина, позволили разработать электроактивный полимер с использованием силиконовых и акриловых полимеров; технология была выделена в компанию Artificial Muscle в 2003 году, а промышленное производство началось в 2008 году. [8] В 2010 году Artificial Muscle стала дочерней компанией Bayer MaterialScience . [9]
ЭАП могут иметь несколько конфигураций, но обычно делятся на два основных класса: диэлектрические и ионные.
Диэлектрические EAP — это материалы, в которых приведение в действие происходит под действием электростатических сил между двумя электродами, которые сжимают полимер. Диэлектрические эластомеры способны выдерживать очень высокие деформации и по сути являются конденсатором, который изменяет свою емкость при приложении напряжения, позволяя полимеру сжиматься по толщине и расширяться по площади из-за электрического поля. Этот тип EAP обычно требует большого напряжения срабатывания для создания сильных электрических полей (сотни-тысячи вольт ), но очень низкого потребления электроэнергии . Диэлектрические EAP не требуют питания для удержания привода в заданном положении. Примерами являются электрострикционные полимеры и диэлектрические эластомеры.
Ферроэлектрические полимеры представляют собой группу кристаллических полярных полимеров, которые также являются сегнетоэлектриками , что означает, что они поддерживают постоянную электрическую поляризацию , которая может быть обращена или переключена во внешнем электрическом поле . [10] [11] Ферроэлектрические 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. [12]
Электрострикционные привитые полимеры состоят из гибких цепей основной цепи с разветвленными боковыми цепями. Боковые цепи на соседних полимерах основной цепи сшиваются и образуют кристаллические единицы. Кристаллические единицы основной цепи и боковой цепи затем могут образовывать поляризованные мономеры, которые содержат атомы с частичными зарядами и генерируют дипольные моменты, как показано на рисунке 2. [13]
При приложении электрического поля к каждому частичному заряду прикладывается сила, которая вызывает вращение всего полимерного блока. Это вращение вызывает электрострикционную деформацию и деформацию полимера.
Жидкокристаллические полимеры основной цепи имеют мезогенные группы, связанные друг с другом гибкой прокладкой. Мезогены внутри основной цепи образуют мезофазную структуру, заставляя сам полимер принимать конформацию, совместимую со структурой мезофазы. Прямая связь жидкокристаллического порядка с конформацией полимера придала жидкокристаллическим эластомерам основной цепи большой интерес. [14] Синтез высокоориентированных эластомеров приводит к большому термическому напряжению вдоль направления полимерной цепи, при этом изменение температуры приводит к уникальным механическим свойствам и потенциальным применениям в качестве механических актуаторов.
Ионные EAP — это полимеры, в которых приведение в действие происходит за счет смещения ионов внутри полимера. Для приведения в действие требуется всего несколько вольт, но ионный поток подразумевает, что для приведения в действие требуется более высокая электрическая мощность, а для удержания привода в заданном положении требуется энергия.
Примерами ионных EAP являются проводящие полимеры , ионные полимерно-металлические композиты (IPMC) и отзывчивые гели. Еще одним примером является актуатор Bucky gel, который представляет собой полимерный слой полиэлектролитного материала, состоящий из ионной жидкости, зажатой между двумя электродными слоями, которая затем представляет собой гель ионной жидкости, содержащий одностенные углеродные нанотрубки . [15] Название происходит от сходства геля с бумагой, которая может быть изготовлена путем фильтрации углеродных нанотрубок, так называемой buckypaper . [16]
Электрореологические жидкости изменяют вязкость при приложении электрического поля. Жидкость представляет собой суспензию полимеров в жидкости с низкой диэлектрической постоянной. [17] При приложении большого электрического поля вязкость суспензии увеличивается. Потенциальные области применения этих жидкостей включают амортизаторы, опоры двигателя и акустические демпферы. [17]
Ионные полимерно-металлические композиты состоят из тонкой иономерной мембраны с электродами из благородных металлов, нанесенными на ее поверхность. Он также имеет катионы для балансировки заряда анионов, закрепленных на полимерной основе. [18] Они являются очень активными актуаторами , которые демонстрируют очень высокую деформацию при низком приложенном напряжении и показывают низкий импеданс. Ионные полимерно-металлические композиты работают посредством электростатического притяжения между катионными противоионами и катодом приложенного электрического поля, схематическое изображение показано на рисунке 3. Эти типы полимеров показывают наибольшие перспективы для биомиметического использования, поскольку коллагеновые волокна по существу состоят из природных заряженных ионных полимеров. [19] Нафион и Флемион являются обычно используемыми ионными полимерно-металлическими композитами. [20]
Гели, реагирующие на стимулы ( гидрогели , когда агентом набухания является водный раствор), представляют собой особый вид набухающих полимерных сетей с поведением объемного фазового перехода. Эти материалы обратимо изменяют свой объем, оптические, механические и другие свойства при очень малых изменениях определенных физических (например, электрического поля, света, температуры) или химических (концентрации) стимулов. [21] Изменение объема этих материалов происходит при набухании/усадке и основано на диффузии. Гели обеспечивают наибольшее изменение объема твердотельных материалов. [22] В сочетании с превосходной совместимостью с технологиями микропроизводства, особенно гидрогели, реагирующие на стимулы, представляют все возрастающий интерес для микросистем с датчиками и приводами. Текущие области исследований и применения — это химические сенсорные системы, микрофлюидика и мультимодальные системы визуализации.
Диэлектрические полимеры способны удерживать индуцированное смещение при активации под постоянным напряжением. [23] Это позволяет рассматривать диэлектрические полимеры для использования в робототехнике. Эти типы материалов также имеют высокую плотность механической энергии и могут работать на воздухе без значительного снижения производительности. Однако диэлектрические полимеры требуют очень высоких полей активации (>10 В/мкм), которые близки к уровню пробоя.
С другой стороны, для активации ионных полимеров требуется всего 1-2 вольта. Однако им необходимо поддерживать влажность, хотя некоторые полимеры были разработаны как самостоятельные инкапсулированные активаторы, что позволяет использовать их в сухих средах. [19] Ионные полимеры также имеют низкую электромеханическую связь. Однако они идеально подходят для биомиметических устройств.
Хотя существует множество различных способов характеристики электроактивных полимеров, здесь будут рассмотрены только три из них: кривая зависимости деформации от напряжения, динамический механический термический анализ и диэлектрический термический анализ.
Кривые деформации-напряжения предоставляют информацию о механических свойствах полимера, таких как хрупкость, эластичность и предел текучести полимера. Это делается путем приложения силы к полимеру с равномерной скоростью и измерения возникающей деформации. [24] Пример такой деформации показан на рисунке 4. Этот метод полезен для определения типа материала (хрупкий, прочный и т. д.), но это деструктивный метод, поскольку напряжение увеличивается до тех пор, пока полимер не сломается.
Динамический механический анализ — это неразрушающий метод, который полезен для понимания механизма деформации на молекулярном уровне. В DMTA к полимеру прикладывается синусоидальное напряжение, и на основе деформации полимера получаются модуль упругости и характеристики демпфирования (предполагая, что полимер является демпфированным гармоническим осциллятором ). [24] Эластичные материалы принимают механическую энергию напряжения и преобразуют ее в потенциальную энергию, которая впоследствии может быть восстановлена. Идеальная пружина будет использовать всю потенциальную энергию, чтобы восстановить свою первоначальную форму (без демпфирования), в то время как жидкость будет использовать всю потенциальную энергию, чтобы течь, никогда не возвращаясь в свое первоначальное положение или форму (высокое демпфирование). Вязкоупругий полимер будет демонстрировать комбинацию обоих типов поведения. [24]
DETA похож на DMTA, но вместо переменной механической силы применяется переменное электрическое поле. Приложенное поле может привести к поляризации образца, и если полимер содержит группы, которые имеют постоянные диполи (как на рисунке 2), они выстроятся в соответствии с электрическим полем. [24] Диэлектрическую проницаемость можно измерить по изменению амплитуды и разложить на компоненты диэлектрического хранения и потерь. Поле электрического смещения также можно измерить, отслеживая ток. [24] После того, как поле будет удалено, диполи снова расслабятся в случайную ориентацию.
Материалы EAP могут быть легко изготовлены в различных формах благодаря простоте обработки многих полимерных материалов, что делает их очень универсальными материалами. Одним из потенциальных применений EAP является интеграция в микроэлектромеханические системы (MEMS) для производства интеллектуальных приводов.
Как наиболее перспективное практическое направление исследований, EAP использовались в искусственных мышцах . [25] Их способность имитировать работу биологических мышц с высокой прочностью на разрыв , большой деформацией приведения в действие и присущим им демпфированием вибраций привлекла внимание ученых в этой области. [5] EAP даже успешно использовались для создания своего рода руки. [25]
В последние годы появились «электроактивные полимеры для обновляемых дисплеев Брайля » [26] , помогающие 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 в массиве. Каждый элемент монтируется с точкой Брайля и опускается путем приложения напряжения по толщине выбранного элемента, вызывая локальное уменьшение толщины. Под управлением компьютера точки будут активироваться для создания тактильных узоров из максимумов и минимумов, представляющих информацию, которую нужно прочитать.
Визуальные и тактильные впечатления от виртуальной поверхности отображаются на тактильном дисплее высокого разрешения, так называемой «искусственной коже» (рис. 6). [28] Эти монолитные устройства состоят из массива из тысяч мультимодальных модуляторов (пикселей актуаторов) на основе гидрогелей, реагирующих на стимулы. Каждый модулятор способен индивидуально изменять свою передачу, высоту и мягкость. Помимо их возможного использования в качестве графических дисплеев для людей с нарушением зрения, такие дисплеи интересны в качестве свободно программируемых клавиш сенсорных панелей и консолей.
Материалы EAP имеют огромный потенциал для микрофлюидики, например, в качестве систем доставки лекарств , микрофлюидных устройств и лаборатории на чипе . Первая микрофлюидная платформенная технология, описанная в литературе, основана на гелях, реагирующих на стимулы. Чтобы избежать электролиза воды, микрофлюидные устройства на основе гидрогеля в основном основаны на полимерах, реагирующих на температуру, с характеристиками более низкой критической температуры раствора (LCST), которые контролируются электротермическим интерфейсом. Известны два типа микронасосов: диффузионный микронасос и вытеснительный микронасос. [29] Микроклапаны на основе гидрогелей, реагирующих на стимулы, демонстрируют некоторые выгодные свойства, такие как толерантность к частицам, отсутствие утечек и выдающаяся устойчивость к давлению. [30] [31] [32]
Помимо этих стандартных микрофлюидных компонентов, гидрогелевая платформа также обеспечивает химические датчики [33] и новый класс микрофлюидных компонентов, химические транзисторы (также называемые хемостатными клапанами). [34] Эти устройства регулируют поток жидкости, если достигается пороговая концентрация определенного химического вещества. Химические транзисторы составляют основу микрохимико-механических жидкостных интегральных схем. «Химические ИС» обрабатывают исключительно химическую информацию, являются энергонезависимыми, работают автоматически и подходят для крупномасштабной интеграции. [35]
Другая микрофлюидная платформа основана на иономерных материалах. Насосы, изготовленные из этого материала, могут обеспечить работу с низким напряжением ( батарея ), чрезвычайно низкую шумовую сигнатуру, высокую эффективность системы и высокоточный контроль расхода. [36]
Другая технология, которая может извлечь выгоду из уникальных свойств приводов EAP, — это оптические мембраны. Благодаря низкому модулю, механическому сопротивлению приводов, они хорошо подходят к обычным оптическим мембранным материалам. Кроме того, один привод EAP способен генерировать смещения в диапазоне от микрометров до сантиметров. По этой причине эти материалы можно использовать для статической коррекции формы и подавления дрожания. Эти приводы также можно использовать для коррекции оптических аберраций из-за атмосферных помех. [37]
Поскольку эти материалы демонстрируют превосходный электроактивный характер, материалы EAP демонстрируют потенциал в биомиметических исследованиях роботов, датчиках стресса и акустических областях, что сделает EAP более привлекательной темой для изучения в ближайшем будущем. Они использовались для различных приводов, таких как мышцы лица и мышцы рук в гуманоидных роботах. [38]
Область EAP далека от зрелости, что оставляет несколько проблем, над которыми еще предстоит поработать. [5] Производительность и долгосрочная стабильность EAP должны быть улучшены путем проектирования водонепроницаемой поверхности . Это предотвратит испарение воды, содержащейся в EAP, а также снизит потенциальную потерю положительных противоионов, когда EAP работает погруженным в водную среду. Улучшенная поверхностная проводимость должна быть исследована с использованием методов создания бездефектной проводящей поверхности. Это, возможно, можно сделать с помощью осаждения паров металла или других методов легирования. Также может быть возможно использовать проводящие полимеры для формирования толстого проводящего слоя. Теплостойкий EAP был бы желателен для обеспечения работы при более высоких напряжениях без повреждения внутренней структуры EAP из-за генерации тепла в композите EAP. Разработка EAP в различных конфигурациях (например, волокна и пучки волокон) также была бы полезна для увеличения диапазона возможных режимов движения.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)