موضوع مقاله: پلیمر الکترواکتیو | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پلیمر الکترواکتیو | مقدمه: یکی از ویژگی‌های بارز EAP این است که آن‌ها در حالیکه نیروهای زیادی را تحمل می‌کنند، دچار تغییر شکل زیادی می‌شوند. | ## بخش 1: پلیمر الکترواکتیو | در حالی که این مواد قادر به مقاومت در برابر نیروهای بزرگ هستند، اما معمولاً فقط کسری از درصد را تغییر می‌دهند. در اواخر دهه ۱۹۹۰، نشان داده شده‌است که بعضی از EAPها می‌توانند تا ۳۸۰٪ کرنش از خود نشان دهند، که این بسیار بیشتر از سایر عملگرهای مکانیکی سرامیکی است. یکی از رایج‌ترین کاربردهای EAP در زمینه رباتیک در توسعه ماهیچه‌های مصنوعی است؛ بنابراین، اغلب از یک پلیمرالکترواکتیو به عنوان یک ماهیچه مصنوعی یاد می‌شود. نوار لاستیکی در یک انتها ثابت بوده و در طرف دیگر به یک توده وصل شده‌است سپس بارهای الکتریکی روی لاستیک پاشیده شدند و مشاهده شد که طول تغییر کرده‌است. الکترلت با ترکیب موم کارنابا، گلاب و موم زنبورعسل تشکیل شده و سپس در حالی که تحت اعمال جریان الکتریکی مستقیم DC قرار دارد محلول خنک می‌شود. پلیمرهایی که به شرایط محیطی پاسخ می‌دهند، غیر از جریان الکتریکی اعمالی، نیز بخش بزرگی از این حوزه مطالعه بوده‌است. در سال ۱۹۴۹، کاتچالسکی و همکارانش نشان دادند که وقتی رشته‌های کلاژن در محلول‌های اسید یا قلیایی فرومی‌روند، آنها با تغییر در حجم پاسخ می‌دهند. رشته‌های کلاژن در یک محلول اسیدی انبساط یافته و در یک محلول قلیایی منقبض می‌شوند. اگرچه محرک‌های دیگری (مانند pH) مورد بررسی قرار گرفته‌است، به دلیل سهولت و عملی بودن آن، بیشتر تحقیقات به ساخت پلیمرهایی که به منظور تقلید از سیستم‌های بیولوژیکی به محرک‌های الکتریکی پاسخ می‌دهند اختصاص داده شده‌است. در سال ۱۹۶۹ کاوای نشان داد که پلی وینیلیدن فلورید (PVDF) اثر پیزوالکتریک بزرگی را به نمایش می‌گذارد. این علاقه تحقیق به توسعه سیستم‌های دیگر پلیمرها که اثر مشابهی را نشان می‌دهند، دامن زد. شیریکاوا به همراه آلن مک دیرمید و آلن هیگر نشان دادند که پلی استیلن از نظر الکتریکی رسانا است و با دوپینگ آن با بخار ید، می‌توانند هدایت آن را با ۸ مرتبه از شدت افزایش دهند؛ بنابراین رسانایی نزدیک به فلز بود. در اواخر دهه ۱۹۸۰ تعدادی از پلیمرهای دیگر نشان دادند که اثر پیزوالکتریک دارند یا رسانا شده‌اند. در اوایل دهه ۱۹۹۰، کامپوزیت‌های پلیمری فلزی یونی (IPMC) توسعه داده شدند و نشان دادند که دارای خواص الکتروشیمیایی به مراتب برتر از EAPهای قبلی هستند. مهمترین مزیت IPMC این بود که آنها قادر به فعالسازی (تغییر شکل) در ولتاژهای کم ۱ یا ۲ ولت بودند. نه تنها انرژی فعالسازی برای این مواد بسیار پایین‌تر بود بلکه آنها نیز می‌توانند دچار تغییر شکل بسیار بزرگتری شوند. IPMC نشان داد که در هر نقطه تا ۳۸۰٪ کرنش، با بزرگی، بزرگتر از EAPهای قبلی توسعه یافته به نمایش بگذارند. در سال ۱۹۹۹، یوسف بار کوهن پیشنهاد بازی مچ اندازی از بازوی رباتیک EAP علیه چالش انسانی را ارائه داد. این چالشی بود که طی آن گروه‌های تحقیقاتی در سراسر جهان برای طراحی بازوی روباتی متشکل از عضلات EAP که می‌توانست یک انسان را در یک مسابقه مچ‌اندازی شکست دهد، رقابت کردند. اولین چالش در کنفرانس فعالان و ابزارهای الکترومغناطیسی پلیمر در سال ۲۰۰۵ برگزار شد. نقطه عطف اصلی دیگر در این زمینه این است که اولین وسیله تجاری توسعه یافته شامل EAPs به عنوان عضله مصنوعی در سال ۲۰۰۲ توسط Eamex در ژاپن تولید شد. این وسیله یک ماهی بود که قادر به شنا کردن به تنهایی بود و دُم خود را با استفاده از عضله EAP حرکت می‌داد. تحقیقات تأمین شده توسط دارپا (آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی) در دهه ۱۹۹۰ در اس‌آرآی اینترنشنال و به رهبری ران پلراین با استفاده از پلیمرهای سیلیکون و اکریلیک، پلیمرالکتروواکتیو را ساخت. دسته‌بندی EAP می‌تواند چندین دسته‌بندی داشته باشد، اما بطور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود: دی الکتریک EAPهای دی‌الکتریک، موادی هستند که با استفاده از نیروهای الکترواستاتیک بین دو الکترود که پلیمر را فشرده می‌کنند، تحریک ایجاد می‌شود. الاستومرهای دی‌الکتریک قادر به ایجاد فشارهای بسیار بالا هستند و اساساً خازنی هستند که هنگام اعمال ولتاژ اجازه می‌دهند تا پلیمر به ضخامت فشرده شود و به دلیل میدان الکتریکی در ناحیه گسترش یابد. این نوع EAPها به‌طور معمول برای تولید میدان‌های الکتریکی بالا (صدها تا هزاران ولت) به ولتاژ فعالسازی زیادی نیاز دارد، اما مصرف برق بسیار کمی دارد. پلیمرهای فروالکتریک، مانند پلی‌وینیلیدین فلورید (PVDF) (شکل ۱) به دلیل پاسخ ذاتی پیزوالکتریک و همچنین به عنوان سنسورهای گرما به دلیل پاسخ ذاتی پیروالکتریک در مبدل‌های صوتی و محرک‌های الکترومکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. زنجیره‌های جانبی روی پلیمرهای ستون فقرات همسایه متصل می‌شوند و واحدهای کریستالی را تشکیل می‌دهند. واحدهای کریستالی ستون فقرات و زنجیره جانبی می‌توانند مونومرهای قطبی شده را تشکیل دهند، که دارای اتم‌هایی با بارهای جزئی و ایجاد لحظه‌های قطبی هستند، که در شکل ۲ نشان داده شده‌است. هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال می‌شود، بر روی هر بار جزئی نیرویی اعمال می‌شود و باعث چرخش کل واحد پلیمر می‌شود. مزوژن درون ستون فقرات ساختار مزوفاز را تشکیل می‌دهد و باعث می‌شود خود پلیمر یک ترکیب سازگار با ساختار مزوفاز را اتخاذ کند. | ## بخش 2: پلیمر الکترواکتیو | اتصال مستقیم منظم کریستالی مایع با ترکیب پلیمر باعث ایجاد علاقه زیادی به الاستومرهای بلوری مایع با زنجیره اصلی شده‌است. سنتز الاستومرهای بسیار گرویده منجر به تحریک حرارتی کرنش بزرگ در طول جهت زنجیره پلیمر با تغییر دما و در نتیجه خواص مکانیکی منحصر به فرد و کاربردهای بالقوه به عنوان محرک مکانیکی می‌شود. فقط چند ولت برای فعالسازی مورد نیاز است، اما جریان یونی به معنای قدرت الکتریکی بالاتری است که برای تحریک لازم است و انرژی لازم برای نگه داشتن محرک در یک موقعیت معین است. نمونه‌هایی از EAPS یونی شامل پلیمرهای رسانا، کامپوزیت‌های پلیمری فلزی یونی (IPMC) و ژل‌های پاسخگو هستند. نمونه دیگر یک محرک ژل باکی است، که یک لایه پلیمر با پشتیبانی از پلی الکترولیت است که از یک مایع یونی ساخته شده بین دو لایه الکترود متشکل از یک ژل مایع یونی تشکیل شده از نانولوله‌های کربنی تک دیواره تشکیل شده‌است. این نام از شباهت ژل به کاغذ حاصل می‌شود که می‌تواند با فیلتر کردن نانولوله‌های کربن، به اصطلاح باکتری، ساخته شود. مایع الکترورئولوژیک مایعات الکترورئولوژیکی ویسکوزیته یک محلول را با استفاده از یک میدان الکتریکی تغییر می‌دهند. کامپوزیت فلزی یونی پلیمری کامپوزیت‌های پلیمری فلزی یونی از یک غشای یونومریک نازک با الکترودهای فلزی نجیب بر روی سطح آن تشکیل شده‌است. همچنین این کاتیون‌ها برای تعادل بار آنیون‌های ثابت شده در ستون فقرات پلیمر وجود دارد. آنها محرک‌های بسیار فعالی هستند که تغییر شکل بسیار بالایی را در ولتاژ کم مصرف نشان می‌دهند و مقاومت کمتری را نشان می‌دهند. کامپوزیت‌های پلیمری فلزی یونی از طریق جذب الکترواستاتیک بین یون‌های ضد کاتیونی و کاتد میدان الکتریکی کاربردی کار می‌کنند، نمایش شماتیک در شکل ۴ نشان داده شده‌است. این نوع پلیمرها بیشترین وعده را برای استفاده‌های بیومتریک نشان می‌دهند زیرا فیبرهای کلاژن اساساً از پلیمرهای یونی با بار طبیعی تشکیل شده‌اند. پس از استفاده از فیلد، کاتیونها در تماس با آند به طرف پلیمر جمع می‌شوند و باعث خم شدن این پلیمر می‌شوند.|جایگزین=|وسط ژل‌های تحریک کننده ژل‌های تحریک کننده (هیدروژل‌ها، هنگامیکه ماده تورم محلول آبی است) نوع خاصی از شبکه‌های پلیمری قابل تورم با رفتار انتقال فاز حجم هستند. همراه با سازگاری عالی با فناوری‌های ساخت میکرو، به خصوص هیدروژل‌های پاسخگو به محرک از نظر میکروسیستم‌ها با سنسورها و محرک‌ها علاقه فزاینده‌ای دارند. زمینه‌های کنونی تحقیق و کاربرد سیستم‌های حسگر شیمیایی، ریزگردها و سیستم‌های تصویربرداری چند حالته است. مقایسه EAPهای دی‌الکتریک و یونی پلیمرهای دی‌الکتریک قادر به جابجایی القایی خود در حالیکه تحت ولتاژ DC فعال هستند، نگه می‌دارند. این اجازه می‌دهد تا پلیمرهای دی‌الکتریک برای کاربردهای روباتیک در نظر گرفته شوند. این نوع مواد از چگالی انرژی مکانیکی بالایی نیز برخوردار هستند و بدون کاهش عمده عملکرد می‌توان در هوا کار کرد. با این حال، پلیمرهای دی‌الکتریک نیاز به زمینه‌های فعالسازی بسیار زیاد دارند (> ۱۰ ولت بر میکرومتر) که نزدیک به سطح خرابی هستند. با این حال، آن‌ها باید رطوبت خود را حفظ کنند، اگرچه برخی از پلیمرها به عنوان فعال کننده‌های محصور شده ساخته شده‌اند که امکان استفاده از آن‌ها در محیط‌های خشک را فراهم می‌کند. مشخصات در حالیکه روش‌های مختلفی وجود دارد که می‌توان پلیمرهای برقی را توصیف کرد، در اینجا فقط سه مورد، مورد بررسی قرار می‌گیرند: منحنی تنش- کرنش، تحلیل حرارتی مکانیکی پویا و آنالیز حرارتی دی‌الکتریک. === منحنی تنش-کرنش|منحنی تنش-کرنش === منحنی تنش-کرنش اطلاعاتی در مورد خواص مکانیکی پلیمر مانند شکنندگی، کشش و استحکام عملکرد پلیمر ارائه می‌دهد. این کار با تهیه نیرویی به پلیمر با سرعت یکنواخت و اندازه‌گیری تغییر شکل حاصل از آن انجام می‌شود. این روش برای تعیین نوع مواد (شکننده، سفت و غیره) مفید است، اما این یک تکنیک مخرب است زیرا تنش تا زمان شکستگی پلیمر افزایش می‌یابد. در DMTA تنش سینوسی روی پلیمر اعمال می‌شود و بر اساس تغییر شکل پلیمر، مدول الاستیک و ویژگی‌های میرایی بدست می‌آید (با فرض اینکه پلیمر نوسان ساز هارمونیکی مرطوب است). مواد الاستیک انرژی مکانیکی تنش را گرفته و آن را به انرژی بالقوه ای تبدیل می‌کنند که بعداً بازیابی می‌شود. چشمه ایده‌آل از تمام انرژی بالقوه برای بازیابی شکل اصلی خود استفاده می‌کند (بدون میرایی)، در حالیکه یک مایع از تمام انرژی بالقوه برای جریان استفاده می‌کند، هرگز به موقعیت یا شکل اصلی خود (میرایی بالا) بازنگردد. زمینه کاربردی می‌تواند منجر به قطبی شدن نمونه شود و اگر پلیمر حاوی گروه‌هایی باشد که قطرهای دائمی دارند (مانند شکل ۲)، آنها با میدان الکتریکی تراز خواهند شد. تراکم پذیری را می‌توان از تغییر در دامنه اندازه‌گیری کرد و به اجزای ذخیره‌سازی دی‌الکتریک و از بین رفت. کاربردها به دلیل سهولت در پردازش بسیاری از مواد پلیمری، مواد EAP به راحتی در اشکال مختلفی ساخته می‌شوند و از این رو مواد بسیار متنوع را ایجاد می‌کنند. یکی از کاربردهای بالقوه برای EAP این است که به‌طور بالقوه می‌توانند در سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) برای تولید محرک‌های هوشمند ادغام شوند. | ## بخش 3: پلیمر الکترواکتیو | === ماهیچه مصنوعی|ماهیچه مصنوعی === به عنوان آینده‌نگرترین جهت تحقیقات عملی، EAP در ماهیچه‌های مصنوعی استفاده می‌شود که نمونه‌ای از آن در شکل ۶ نشان داده شده‌است. توانایی آن‌ها در تقلید از عملکرد عضلات بیولوژیکی با ضخامت بالای شکستگی، فشار زیاد تحریک و لرزش ذاتی توجه دانشمندان در این زمینه را به خود جلب می‌کند. صفحه نمایش لمسی در سال‌های اخیر، «پلیمرهای الکترواکتیو برای نمایشگرهای بریل تجدیدپذیر» برای کمک به بینایی افراد در خواندن سریع و ارتباطات رایانه‌ای ظاهر شده‌است. ردیف‌های الکترود در یک طرف از فیلم EAP و ستون‌ها در طرف دیگر عناصر فردی را در آرایه فعال می‌کنند. هر عنصر با یک نقطه بریل سوار می‌شود و با اعمال ولتاژ در ضخامت عنصر انتخاب شده پایین می‌آید و باعث کاهش ضخامت موضعی می‌شود. تحت کنترل رایانه، نقاط به وجود می‌آیند تا الگوهای لمسی از اوج‌ها و پایین‌ها را نشان دهند و اطلاعاتی را که باید خوانده شوند نشان دهند. برداشت‌های بصری و لمسی از یک سطح مجازی توسط یک صفحه نمایش لمسی با وضوح بالا، به اصطلاح «پوست مصنوعی» نمایش داده می‌شود (شکل ۷). این دستگاه‌هایی یکپارچه از مجموعه‌ای از هزاران تعدیل کننده چند حالته (پیکسل محرک) مبتنی بر هیدروژل‌های پاسخگو محرک تشکیل شده‌است. علاوه بر این ممکن است استفاده از آن‌ها به عنوان نمایشگرهای گرافیکی برای نمایشگرهای دارای دید بینایی مانند کلیدهای قابل برنامه‌ریزی رایگان از تاچ پد و کنسول جالب توجه باشد. این صفحه نمایش به صورت تصویری (تک رنگ) و بدنی (کانتورها، تسکین، بافت، نرمی) از سطح مجازی می‌بخشد.|جایگزین= ریزگردها مواد EAP پتانسیل عظیمی برای ریزگردها به عنوان سیستم‌های انتقال دارو، دستگاه‌های میکروسیالی و تراشه آزمایشگاهی را دارند. اولین فناوری پلتفرم میکروسیالی که در ادبیات گزارش شده‌است، مبتنی بر ژل‌های محرک است. برای جلوگیری از الکترولیز دستگاه‌های میکروفیلوئیدی مبتنی بر هیدروژل آب، عمدتاً بر پایه پلیمرهای پاسخگو به دما با خصوصیات دمای محلول بحرانی پایین (LCST) قرار دارند که توسط یک رابط الکتروترمیک کنترل می‌شوند. ریزگردها مبتنی بر هیدروژل‌های پاسخگو به محرک برخی از خواص مفید مانند تحمل ذرات، عدم نشت و مقاومت در برابر فشار برجسته را نشان می‌دهند. علاوه بر این مؤلفه‌های استاندارد ریزپلوئیدی، پلتفرم هیدروژل همچنین سنسورهای شیمیایی و کلاس جدیدی از اجزای میکرو فلوئیدی، ترانزیستورهای شیمیایی (همچنین به عنوان دریچه‌های چوستوست) نیز ارائه می‌دهد. در صورت دستیابی به غلظت آستانه مواد شیمیایی خاص، این دستگاه‌ها جریان مایعات را تنظیم می‌کنند. ترانزیستورهای شیمیایی اساس مدارهای یکپارچه سیال میکروشیمیایی مکانیکی را تشکیل می‌دهند. فرایند «شناسه‌های شیمیایی» منحصراً اطلاعات شیمیایی، از انرژی خود تغذیه می‌شوند، به صورت اتوماتیک عمل می‌کنند و قادر به ادغام در مقیاس بزرگ هستند.</big> یک سکوی دیگر میکروفلوئیدی بر اساس مواد یونومریک است. پمپ‌های ساخته شده از آن ماده می‌توانند عملکرد ولتاژ (باتری) کم، امضای نویز بسیار کم، راندمان بالای سیستم و کنترل دقیق سرعت جریان را ارائه دهند. فناوری دیگری که می‌تواند از خواص بی نظیر محرک‌های EAP بهره ببرد غشاهای نوری است. به دلیل مدول کم، مقاومت در برابر مکانیکی محرک‌ها، با مواد غشای نوری معمولی مطابقت دارند. همچنین یک محرک EAP منفرد قادر به ایجاد جابجایی‌هایی است که از میکرومتر تا سانتی‌متر متغیر است. به همین دلیل می‌توان از این مواد برای تصحیح استاتیک شکل و سرکوب لرزش استفاده کرد. این محرک‌ها همچنین می‌توانند برای اصلاح ناهنجاری‌های نوری به دلیل تداخل جوی مورد استفاده قرار گیرند. از آنجاییکه این مواد از ویژگی‌های الکتریکی بسیار خوبی برخوردار هستند، مواد EAP پتانسیل‌هایی در تحقیقات ربات‌های بیومتریک، سنسورهای تنش و زمینه آکوستیک نشان می‌دهند، که باعث می‌شود EAPها در آینده نزدیک تبدیل به یک موضوع تحقیق جذاب شوند. از آنها برای محرک‌های مختلفی مانند عضلات صورت و عضلات بازو در روبات‌های انسان‌نما استفاده شده‌است. عملکرد و پایداری طولانی مدت EAP باید با طراحی یک سطح غیرقابل نفوذ در آب بهبود یابد. این امر باعث جلوگیری از تبخیر آب موجود در EAP می‌شود و همچنین باعث کاهش تلفات احتمالی یون‌های مثبت در هنگام کار EAP در محیط آبی می‌شود. هدایت سطح بهبود یافته باید با استفاده از روش‌هایی مورد بررسی قرار گیرد تا سطح رسانای عاری از نقص ایجاد شود. مقاومت در برابر حرارت EAP مطلوب خواهد بود که اجازه دهد بدون نیاز به ایجاد ساختار داخلی EAP به دلیل تولید گرما در کامپوزیت EAP، در ولتاژهای بالاتر کار کند. | ## جمع‌بندی | توسعه EAP در تنظیمات مختلف (به عنوان مثال، الیاف و بسته‌های فیبر)، به منظور افزایش دامنه حالت‌های ممکن حرکت مفید خواهد بود.