پلیمر الکترواکتیو
پلیمرهای الکترواکتیو (به انگلیسی: ElectroActive polymers)، یا EAPها، پلیمرهایی هستند که هنگام تحریک توسط یک میدان الکتریکی، تغییر اندازه یا شکل را نشان می‌دهند. متداول‌ترین کاربردهای این نوع مواد در عملگر مکانیکی و سنسورها است. یکی از ویژگی‌های بارز EAP این است که آن‌ها در حالیکه نیروهای زیادی را تحمل می‌کنند، دچار تغییر شکل زیادی می‌شوند. اکثر عملگرهای مکانیکی در گذشته از مواد پیزوالکتریک سرامیکی ساخته شده‌اند. 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.
زمینه EAPs در سال ۱۸۸۰ پدیدار شد، هنگامی که ویلهلم رونتگن آزمایشی را طراحی کرد که در آن وی تأثیر میدان الکترواستاتیک را بر روی خواص مکانیکی یک نوار از لاستیک طبیعی آزمایش کرد. 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. در سال ۱۹۲۵ بود که اولین پلیمر پیزوالکتریک کشف شد (الکترلت-Electret). 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. این مخلوط سپس به یک ماده پلیمری که اثر پیزوالکتریک دارد، جامد 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. موفقیت بزرگ بعدی در EAPs در اواخر دهه ۱۹۶۰ رخ داد. 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. در سال ۱۹۷۷ اولین پلیمرهای رسانا توسط هیدکی شیریکاوا و همکارانش کشف شد. 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. این دستورات قدر کمتر از هر EAP قبلی است. 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. اما توسعه در پیشرفت عملی رضایت بخش نبوده‌است. 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. این فناوری در سال ۲۰۰۳ به شرکت Artificial Muscle وارد شد و تولید صنعتی در سال ۲۰۰۸ آغاز شد. در سال ۲۰۱۰، ماهیچه مصنوعی به عنوان یک شرکت تابعه کووسترو درآمد.
EAP می‌تواند چندین دسته‌بندی داشته باشد، اما بطور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود:
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. EAPهای دی‌الکتریک نیازی به نیرویی ندارند که محرک را در یک موقعیت معین نگهدارند. نمونه‌های پلیمرهای برقی و الاستومرهای دی‌الکتریک هستند.
پلیمرهای فروالکتریک گروهی از پلیمرهای قطبی کریستالی هستند که همچنین فروالکتریک هستند، به این معنی که آن‌ها یک قطبش الکتریکی دائمی را حفظ می‌کنند که می‌تواند در یک میدان الکتریکی خارجی معکوس یا عوض شود. 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. پلیمرهای پیوند الکتریکی دارای زنجیره ستون فقرات قابل انعطاف با زنجیره‌های جانبی انشعاب هستند. 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. این چرخش باعث ایجاد فشار الکتریکی و تغییر شکل پلیمر می‌شود.
پلیمرهای بلوری مایع زنجیره اصلی دارای گروه‌های مزوژنیک هستند که توسط یک فضای انعطاف‌پذیر به یکدیگر متصل می‌شوند که در شکل ۳ نشان داده شده‌اند. مزوژن درون ستون فقرات ساختار مزوفاز را تشکیل می‌دهد و باعث می‌شود خود پلیمر یک ترکیب سازگار با ساختار مزوفاز را اتخاذ کند. 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.