Iontové polymer-kovové kompozity - Ionic polymer–metal composites - Wikipedia

Princip ovládání IPMC
Principy ovládání IPMC, získávání energie a snímání. Když je na elektrody aplikováno napětí (elektrické pole), pozitivně nabité konjugované a hydratované kationty v membránové molekulární síti jsou anodou odpuzovány a migrují směrem k záporné elektrodě nebo katodě nesoucí molekuly hydratované vody. Tato migrace vytváří gradient osmotického tlaku přes membránu, což způsobuje, že se pás IPMC efektně ohne nebo zdeformuje.[1] Na druhou stranu mechanické ohýbání nebo deformování pásů IPMC způsobí pohyb konjugovaných kationtů, což vytváří elektrický potenciál a výstupní napětí a přechodný proud (sběr energie, režimy snímání) na základě Poisson-Nernst-Planck polní teorie. Hydratované molekuly vody jsou při migraci spojeny s kationty. Pokud však existují nehydratované volné molekuly vody tažené s hydratovanými kationty jako přidaná hmota směrem k anodě, jakmile je dosaženo rovnováhy ohybu nebo deformace, volné molekuly vody proudí zpět k katodě a lze pozorovat určitou zpětnou relaxaci.

Iontové polymer-kovové kompozity (IPMC) jsou syntetické kompozitní nanomateriály, které se zobrazují umělý sval chování pod aplikovaným napětím nebo elektrickým polem. IPMC se skládají z iontový polymer jako Nafion nebo Flemion jejichž povrchy jsou chemicky pokovené nebo fyzicky potažené vodiči, jako je platina nebo zlato. Pod aplikovaným napětím (1–5 V pro typické vzorky 10 mm x 40 mm x 0,2 mm) vede migrace iontů a redistribuce v důsledku vnuceného napětí na pás IPMC k ohybové deformaci. Pokud jsou pokovené elektrody uspořádány v nesymetrické konfiguraci, uložené napětí může vyvolat různé deformace, jako je kroucení, válcování, kroucení, otáčení, kroucení, kroucení a nesymetrická ohybová deformace. Alternativně, pokud jsou takové deformace fyzicky aplikovány na proužky IPMC, generují signál výstupního napětí (několik milivoltů pro typické malé vzorky) jako snímače a sběrače energie. IPMC jsou typem elektroaktivní polymer. Fungují velmi dobře v kapalném prostředí i ve vzduchu. Mají v konzolové konfiguraci hustotu síly asi 40, což znamená, že v konzolovém režimu mohou generovat špičkovou sílu téměř 40násobku své vlastní hmotnosti. IPMC v aktivaci, snímání a získávání energie mají velmi širokou šířku pásma až kilo HZ a vyšší. IPMC byly poprvé představeny v roce 1998 Shahinpoorem, Bar-Cohenem, Xue, Simpsonem a Smithem (viz odkazy níže), ale původní myšlenka iontových polymerních pohonů a senzorů sahá až do let 1992-93 Adolfem, Shahinpoorem, Segalmanem, Witkowskim, Osadou, Okuzaki, Hori, Doi, Matsumoto, Hirose, Oguro, Takenaka, Asaka a Kawami, jak je znázorněno níže:

1-Segalman D. J., Witkowski W. R., Adolf D. B., Shahinpoor M., "Theory and Application of Electricly Controlled Polymeric Gels", Int. Journal of Smart Material and Structures, sv. 1, str. 95–100, (1992)
2-Shahinpoor M., „Konceptuální návrh, kinematika a dynamika plaveckých robotických struktur využívajících iontové polymerní gelové svaly“, Int. Journal of Smart Material and Structures, sv. 1, s. 91–94, (1992)
3-Y. Osada, H. Okuzaki a H. Hori, „Polymerní gel s elektricky poháněnou motilitou“, Nature, sv. 355, s. 242–244, (1992)
4-Oguro K., Kawami Y. a Takenaka H., "Ohýbání iontově vodivého polymerního filmového elektrodového kompozitu elektrickým stimulem při nízkém napětí", Trans. J. Micro-Machine Society, sv. 5, s. 27–30, (1992)
5-M. Doi, M. Marsumoto a Y. Hirose, „Deformace iontových gelů elektrickými poli“, Macromolecules, sv. 25, str. 5504–5511, (1992)
6-Oguro, K., K. Asaka a H. Takenaka, „Ovladač polymerní fólie poháněný nízkým napětím“, In Proceedings of the 4th International Symposium of Micro Machines and Human Science “, Nagoya, str. 38–40, ( 1993)
7-Adolf D., Shahinpoor M., Segalman D., Witkowski W., "Electrically Controlled Polymeric Gel Actuators", americký patentový úřad, americký patent č. 5 250 167, vydaný 5. října (1993)
8-Oguro K., Kawami Y. a Takenaka H., "Actuator Element", americký patentový úřad, US patent č. 5 268 082, vydaný 7. prosince (1993)

Na tyto patenty navázaly další související patenty:


9-Shahinpoor, M., „Spring-Loaded Ionic Polymeric Gel Linear Actuator“, US Patent Office, US Patent No. 5,389,222, vydaný 14. února (1995)
10-Shahinpoor, M. a Mojarrad, M., „Soft Actuators and Artificial Muscles“, Patentový úřad USA, Patent USA 6 109 852, vydaný 29. srpna (2000)
11-Shahinpoor, M. a Mojarrad, M., "Ionic Polymer Sensors and Actuators", americký patentový úřad, č. 6,475,639, vydaný 5. listopadu (2002)
12-Shahinpoor, M. a Kim, K.J., „Metoda výroby suchého elektroaktivního polymerního syntetického svalu“, americký patentový úřad, patent č. 7 276 090, vydaný 2. října (2007)
Je třeba také zmínit, že Tanaka, Nishio a Sun zavedli fenomén kolapsu iontového gelu v elektrickém poli:
13-T. Tanaka, I. Nishio a S.T. Sun, „Kolaps gelů v elektrickém poli“, Science, sv. 218, str. 467–469, (1982)

Je třeba také zmínit, že Hamlen, Kent a Shafer zavedli elektrochemickou kontrakci vláken iontového polymeru:

14-R. P. Hamlen, C. E. Kent a S. N. Shafer, "Electrolytically Activated Contractile Polymer", Nature, sv. 206, č. 4989, str. 1140–1141, (1965)

Kredit by měl být také udělen Darwinovi G. Caldwellovi a Paulu M. Taylorovi za ranou práci na chemicky stimulovaných gelech jako umělých svalech:

15-Darwin G. Caldwell a Paul M. Taylor, „Chemicky stimulovaná pseudosvalová aktivace“, International Journal of Engineering Science, svazek 28, vydání 8, str. 797–808, (1990)

Reference

  1. ^ Sada iontových polymerních kovových kompozitů (IPMC), editor: Mohsen Shahinpoor, Royal Society of Chemistry, Cambridge 2016, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-720-3

externí odkazy