電活性聚合物

(a) 一個 EAP 抓取裝置 (b) 載入電壓後機械爪張開準備抓取小球 (c) 卸下電壓後機械爪恢復到原來的形狀握住小球

電活性聚合物（Electroactive Polymers，縮寫：EAP）是一類能夠在電場作用下，改變其形狀或大小的聚合物材料。這類材料常見應用在執行器和感測器上。電活性聚合物的一個典型特性是能夠在維持巨大受力作用的同時進行大幅度的變形。

早期大多數執行器是由壓電陶瓷材料製作。雖然這些材料可以承受大量的作用力，但它們的變形能力則十分有限。而在 1990 年代末，一些電活性聚合物所演示的形變就可達到 380%。電活性聚合物最常見的應用之一是在機器人學中對人工肌肉的開發。因此，電活性聚合物也常被用作人工肌肉的代名詞。

發展歷史

電活性聚合物領域的相關研究可以追溯至 1880 年，威廉・倫琴設計了一項實驗，將一端固定另一端附加重物的橡皮筋放在電場下，觀察其長度變化。隨後薩切爾多特（Sacerdote）在 1899 年將這個實驗中電場下的應變響應公式化。直到 1925 年，第一種壓電高分子材料 —— 駐極體被發現。駐極體由巴西棕櫚蠟、松香和蜂蠟熔化混合，通直流電冷卻凝固製成，形成聚合物並展現出壓電效應。

除了對電流的反應，聚合物對環境條件的反應也是該研究領域中的一個重點。1949 年，阿哈龍・卡齊爾（Aharon Katzir-Katchalsky）等人發現膠原蛋白纖維在酸鹼溶液中會發生體積變化。他們發現膠原纖維在酸性溶液中會膨脹，在鹼性溶液中會收縮。儘管也有對其他刺激因素的研究，但由於電刺激的簡易性和實用性，大部分的研究都將重點放在了對其仿生學的應用上。

直到 20 世紀 60 年代末電活性聚合物技術的研究才有了突破性進展。卡瓦依（Kawai）發現聚偏氟乙烯材料（PVDF）具有較大的壓電效應。這激發了對其他可能具有相同性質的聚合物體系的研究。1977 年，第一種導電聚合物被白川英樹等人發現。他同艾倫・麥克德爾米德和艾倫・黑格發現聚乙炔具有導電性，並且在摻雜碘蒸氣時其導電性會提升 8 個數量級，接近金屬的電阻。到 20 世紀 80 年代晚期，已經有越來越多的聚合物被證實具有壓電效應或者被發現具有導電性。

20 世紀 90 年代初期，離子聚合物 - 金屬複合材料（IPMC）逐步發展起來，並顯示出遠優於先前材料的電活性屬性。離子聚合物 - 金屬複合物的主要優點是這類材料能夠在低至 1 或 2 伏特的電壓下被啟用形變，這要比之前任何電活性聚合物都要小几個數量級。這種材料不僅有更小的啟用能，同時還能經受更大的形變，其最大應變可以達到 380%。

1999 年，約瑟夫・巴爾 - 科恩提出了 “EAP 機械手臂對人類掰手腕比賽” 的挑戰。這個挑戰的目的是為了在全世界範圍內，尋找能夠設計出在掰手腕比賽中擊敗人類的 EAP 機械手臂的研究團隊。第一屆挑戰賽在 2005 年 “電活性聚合物致動器和裝置大會” 上舉行。此外該領域的另一個里程碑式的事件是由日本的 “Eamex” 公司開發的第一個商業成熟的 EAP 人造肌肉裝置。這家公司生產出一種機械魚，能夠靠尾部的 EAP 肌肉尾鰭在水中游動。不過該技術在實際開發的進度並不令人滿意。

EAP 材料分類

電活性聚合物可有多種不同的機制，但總體可以分為電子型和離子型兩大類。

2.1 電子型

電子型電活性聚合物，即電場活性材料，透過電場中靜電力作用誘導產生電致伸縮效應以及靜電、壓電和鐵電效應。因為其整個過程不需要保持在溶液環境，也被稱為幹驅動體系。這種材料可在直流電場作用下產生誘導位移，例如介電彈性體，當載入電壓後它將沿電力線方向產生收縮，並在與電力線垂直正交的平面內擴充套件延伸。這種材料通常需要較高的激勵電場（>100V/μm），接近擊穿電場。

2.1.1 鐵電體聚合物

鐵電體聚合物，或鐵電聚合物，是一類具有鐵電性的晶體極性聚合物。這類聚合物本身具有電子偶極距，當施加適當的電場後，這個偶極矩會反向。最常見的鐵電體聚合物是聚偏氟乙烯（PVDF）和它的共聚物，具有良好的柔韌性並易製成大面積的薄膜，因而在音訊和超聲感測器、生物醫學感測器、機電換能器以及熱釋電和光學器件中具有很大的應用前景。

電致伸縮接枝彈性體示意圖

2.1.2 電致伸縮接枝彈性體

電致伸縮接枝彈性體由彈性的聚合物骨架和接枝的可結晶極性基團組成。柔性的骨架結構提供無規態鏈結構，從而形成三維的網路結構，並與接枝結晶區域物理交聯。主鏈與支鏈由帶有電荷的極性單體合成，可以產生偶極矩，使結晶支鏈誘導極化。施加電場時，偶極子產生轉矩作用刺激支鏈的極化單元旋轉，主鏈區域性重排，彈性體產生變形。

2.1.3 液晶彈性體

液晶彈性體長鏈分子之間的介晶基元使其可以相互滑行穿過彼此，使材料能夠在很小的作用下即可以發生伸長現象。材料的單域向列相液晶彈性體和導電聚合物組合，透過向列相和各向同性相之間的相轉變產生電活性，液晶側鏈的重排使聚合物主鏈發生應變，從而產生驅動力。向列型和各向同性態之間的轉換產生電活性，這種轉換時間小於 1 秒。因其具有生物相容性，因此可以用來製備人造肌肉和微型裝置等。

2.2 離子型

離子型電活性聚合物透過聚合物中的離子移動來驅動執行器。離子型電活性聚合物往往需要相對較低的電壓和較大的電流，能量效率相對較低，需要持續供能來維持形狀。典型的例子有導電聚合物、離子聚合物 - 金屬複合材料和響應性凝膠。這類聚合物通常在液體電離環境下操作，因此常用於生物體環境下的應用。

沒有電場時 IPMC 中的陽離子隨機散佈。當載入電壓後陽離子聚集導致聚合物向電極的一邊彎曲

2.2.1 電流變液

電流變液是由懸浮顆粒分散於介電常數較低的絕緣液體中製得，顆粒直徑在 0.1-100μm 範圍內。當施加強度較大的電場時，由於誘導偶極距的運動，鏈會沿著電場方向排列，從而引起結構及粘度的改變，產生應變及其它特性，使電流變體從液體轉變成黏彈性物質，響應時間可以達到微秒級。其潛在的應用包括減震器、發動機支架和聲學阻尼器等。

2.2.2 離子聚合物 - 金屬複合材料

典型的離子聚合物 - 金屬複合材料（IPMC）由離子聚合物薄膜和鍍在兩表面的貴金屬電極組成，離子聚合物膜內含有大量的陽離子以中和共價鍵合在聚合物骨架上的陰離子。這種複合材料可以在較低的驅動電壓和低阻抗下產生較大的應變。電場導致離子濃度的改變，從而吸引水分子移向聚合物的一側，導致層狀結構向電極的一邊彎曲。非均勻分佈的水分子導致驅動器一側溶脹而另一側收縮。由於膠原纖維本身主要由自然帶電離子聚合物構成，所以這類材料擁有良好的仿生應用前景。

特性描述

電活性聚合物具有多種特性，這裡著重從三個方面描述：應力 - 應變曲線、動態力學熱分析和介電熱分析。

3.1 應力 - 應變曲線

應力應變曲線提供關於諸如聚合物脆性、彈性和屈服強度的機械性質資訊。實驗透過施加不斷以統一速率增加的力並測量聚合物的應變。此項技術對於測定材料的脆性和強度很有用，但卻是一種破壞性的實驗。隨著應力增加，聚合物會因此而折斷。

3.2 動態力學熱分析

動態力學熱分析（DMTA）是一種非破壞性的技術，常用於分析分子層面的形變機制。在動態力學熱分析中，聚合物會被施加正弦波動的動態壓力，並根據聚合物的形變，測定出彈性模量和阻尼特性（假定該聚合物是諧振子）。彈性材料會將此機械能儲存並轉化為勢能，稍後加以利用。一個理想的彈簧（無阻尼）會使用全部的勢能恢復成原來的形狀，而一個流體（高阻尼）的勢能會在流動中喪失，無法恢復到原有的位置或形狀。粘彈性聚合物會展現出綜合以上兩種表現的特性。

3.3 介電熱分析

介電熱分析（DETA）類似於動態力學熱分析。但不同於動態力學熱分析施加動態壓力，介電熱分析施加的是一個動態的電場。施加的電場可以導致樣本極化，並且如果聚合物含有永久電偶極子基團，那麼它們將會和電場匹配。電容率可以從變化幅度中測量出，並用於解決電介質儲存器和損失元件的問題。電位移也可以根據電流變化測出。一旦電場消失，偶極子又會恢復到隨機的偶極矩方向。

應用

由電活性聚合物控制的手臂。當載入電壓時（藍色肌肉），聚合物伸長；當解除安裝電壓時（紅色肌肉），聚合物恢復到原始狀態

由於高分子材料加工的便捷性，電活性聚合物可以被輕鬆地被製造成各種形狀並用作各種用途。電活性聚合物的一個潛在應用是在微機電系統（MEMS）中來製造智慧執行器。作為最有前景的實際用途研究方向，電活性聚合物常被用於人造肌肉中。其與生物肌肉相似的高斷裂韌性、大驅動應變和固有振動阻尼能力引起了在此領域的科學家的注意。

此項技術也被用於可變盲文顯示應用。針對視覺受損人群的快速閱讀計算機協助交流，電活性聚合物可用於製作可變化的盲文凸點。

電活性聚合物可以用於材料形成小的脈衝。這些脈衝可以用於藥物遞送、微流控、主動流動控制和其他眾多定製應用。脈衝裝置最可能的構型是雙膜片裝置。離聚物泵所具有的優點是低電壓操作、超低噪聲訊號、高系統效率和高精確流浪控制。

電活性聚合物所具有的獨特性質的另一個技術應用是光學薄膜。由於執行器機械阻抗的低模量，它們能和常見的光學膜材料匹配。此外，單個的電活性聚合物執行器可以產生微米到釐米級的位移。因此這些材料可以被用作靜電形狀校正和抖動抑制。這些執行器也可以被用於校正由大氣干擾產生的像差。

因為這些材料所展現出的這些卓越電活性性質，電活性聚合物還仿生機器人、應力感測器和聲場研究中展現出潛力。這些實際應用使得電活性聚合物在未來成為更具吸引力的研究課題。它們已經在面部肌肉和手臂肌肉的人形機器人的執行器上的到了廣泛應用。