بوليمرات نشطة كهربائيا
خلفية تاريخية

برزت البوليمرات النشطة كهربائيًا في عام 1880، عندما صمم فيلهلم رونتغن تجربة اختبر من خلالها تأثير المجال الكهرسكوني على الخواص الميكانيكية لشريط من المطاط الطبيعي. ثُبّت الشريط المطاطي في أحد طرفيه ورُبط بكتلة في الطرف الآخر. ثم رُشت شحنات كهربائية على المطاط، ولوحظ أن الطول قد تغير. اكتُشف أول بوليمر كهروإجهادي في عام 1925 (الإلكتريتelectret ). شُكل الإلكتريت من خلال الجمع بين الشمع الكرنوبي، القلفونية (الشمع الصنوبري) وشمع العسل، ثم تبريد المحلول أثناء تطبيق جهد انحياز مستمر عليه، وبعد ذلك يُترك الخليط ليتصلب مشكلًا مادة بوليمرية لها تأثير كهروإجهادي.
كانت البوليمرات التي تستجيب للظروف البيئية بجانب التيار الكهربائي المطبق جزءً كبيرًا من مجال دراسة قام بها كاتشالسكي وزملاؤه في عام 1949 برهن فيها أنه عندما يتم غمس خيوط الكولاجين في المحاليل الحمضية أو القلوية؛ فإنها سوف تستجيب بتغير في الحجم؛ تتوسع في المحلول الحمضي، وتتقلص في المحلول القلوي. على الرغم من أن هناك محفزات أخرى اختُبرت نظرًا لسهولة هذا التطبيق وعمله (مثل الرقم الهيدروجيني)؛ خُصّصت معظم الأبحاث لتطوير البوليمرات التي تستجيب للمنبهات الكهربائية من أجل محاكاة الأنظمة البيولوجية في الإنسان.
حدث التقدم الرئيسي التالي في البوليمرات النشطة كهربائيًا في أواخر الستينيات. بين كاواي في عام 1969 أن ثنائي فلوريد متعدد الفينيليدين يُظهر تأثيرًا كهروإجهادي كبير. أفاد هذا البحث المهم في تطوير أنظمة بوليمرات أخرى التي من شأنها أن تُظهر تأثيرًا مماثلًا. في عام 1977 اكتُشف أول البوليمرات الموصلة للكهرباء بواسطة هيديكي شيراكاوا. أثبت هيديكي شيراكاوا مع آلن ماكديرميدو وآلن هيغير أن البولي-أسيتيلين كان موصلًا كهربائيًا، ويمكن أن يعزز التوصيل بثمانية مرات تتضاعف أُسيًا عند تطعيمه ببخار اليود، وهكذا فإن موصليته كانت قريبة من موصلية الفلزات. وبحلول أواخر الثمانينيات من القرن الماضي، أظهر عدد من البوليمرات الأخرى تأثيرًا كهروإجهادي أو ثبت أنه موصل للكهرباء.
طُورت في أوائل التسعينيات من القرن الماضي مركبات الأيونومير الفلزية أو البوليمير الأيوني الفلزي، وتبين أنها تُظهر خواصًا كهربائية تعدت البوليمرات النشطة كهربائيًا السابقة. كانت الميزة الرئيسية لمركبات الأيونوميرات الفلزية أنها كانت قادرة على إظهار التنشيط (التشوه) عند فولتية منخفضة حتى 1 أو 2 فولت. لم تكن طاقة التنشيط لهذه المواد الأقل بين المواد الشبيهة فحسب؛ بل يمكن أيضًا أن تخضع لتشوهات أكبر، كما وأظهرت مركبات الأيونوميرات الفلزية أنه يمكنها تحمل إجهاد يصل إلى (380%) في أي مكان.
اقترح يوسف بار كوهين في عام 1999 مباراة مصارعة ذراعية بين ذراع آلية معززة بعضلات صناعية من البوليمرات النشطة كهربائيًا ضد ذراع بشرية. كان هذا تحديًا تنافست فيه مجموعات بحثية من جميع أنحاء العالم لتصميم ذراع آلية تتكون من عضلات بوليمرات نشطة كهربائيًا يمكنها هزيمة الإنسان في مباراة مصارعة ذراع. عُقد التحدي الأول في مؤتمر مشغلات وأجهزة البوليمر النشطة كهربائيًا في عام 2005. علامة فارقة أخرى في هذا المجال هو أن أول عضلة صناعية تجارية تحتوي تقنية البوليمرات النشطة كهربائيًا أنتجت بواسطة إيميكس عام 2002 في اليابان. كان هذا الجهاز عبارة عن سمكة تستطيع السباحة بمفردها، وتحريك ذيلها باستخدام العضلة الصناعية. لكن التقدم في التطوير العملي لم يكن مرضيًا.
مولّت وكالة مشاريع البحوث المتطورة الدفاعية أو داربا الأبحاثَ في التسعينيات في معهد ستانفورد للأبحاث وبقيادة رون بيلرينيه الذي طور بوليمر ينشط بالكهرباء باستخدام بوليمرات السيليكون والأكريليك. استُخدمت هذه التقنية في شركة «العضلة الصناعية» في عام 2003 مع بدء الإنتاج الصناعي في عام 2008. أصبحت شركة «العضلة الصناعية» في عام 2010 تابعة لشركة كوفيسترو.