仿生材料电活性聚合物_人工肌肉_的研究进展
人造肌肉的工作原理及其在仿生机器人中的应用
人造肌肉的工作原理及其在仿生机器人中的应用人造肌肉是一种模拟人类肌肉运动的装置，具有强大的收缩和伸展能力，可用于多个领域，尤其是在仿生机器人中。
本文将介绍人造肌肉的工作原理以及在仿生机器人领域中的应用。
一、人造肌肉的工作原理1. 弹性材料人造肌肉通常由弹性材料制成，如合成聚合物或金属合金。
这些材料具有高度可塑性，能够承受大范围的伸缩变形。
2. 激发机制人造肌肉的激发机制类似于人体肌肉。
通过外部刺激，如电流、气压或热能，可以引起人造肌肉的收缩或伸展。
3. 收缩和伸展人造肌肉的收缩和伸展是通过控制输入的激发信号来实现的。
激发信号的类型和强度决定了人造肌肉的运动方式和幅度。
二、人造肌肉在仿生机器人中的应用1. 动力学人造肌肉在仿生机器人中扮演着关键的角色。
通过在机器人的关节和肌肉系统中应用人造肌肉，可以实现更精确和流畅的运动。
机器人可以模仿人类肌肉的收缩和伸展，使得其运动更加自然。
2. 机械臂人造肌肉在机械臂中的应用是非常广泛的。
机械臂可以使用人造肌肉来完成精密的动作，比如抓取和搬运物体。
人造肌肉具有较高的柔韧性和力量，可以适应不同形状和重量的物体。
3. 步行机器人步行机器人是仿生机器人领域中的一个重要研究方向。
人造肌肉被广泛应用于步行机器人的腿部系统中，可以模拟人类的步态和运动方式。
通过调节人造肌肉的收缩和伸展，步行机器人可以实现平稳的行走和灵活的动作。
4. 医疗辅助人造肌肉还可以应用于医疗领域，用于辅助康复训练和肢体功能的恢复。
人造肌肉可以模拟人体肌肉的运动，并根据患者的需要进行调节。
通过与人体肌肉的交互作用，可以帮助患者恢复肌肉功能和日常活动能力。
5. 灵巧操作人造肌肉的特性使得其在灵巧操作中有广泛应用的潜力。
比如在手术机器人中，人造肌肉可以用于进行高精确度的手术操作，提高手术的成功率和准确性。
三、结论人造肌肉作为一种模拟人体肌肉运动的装置，具有广泛的应用前景。
其工作原理基于弹性材料和激发机制，通过控制输入信号实现收缩和伸展。
人工肌肉的制作和应用
人工肌肉的制作和应用近年来，人工肌肉的研究和应用引起了广泛的关注。
人工肌肉是一种模拟生物肌肉运动的机械器件，可以通过电刺激等方式实现自主收缩和膨胀，具有很高的可塑性和适应性。
本文旨在介绍人工肌肉的制作原理、应用领域和展望。
一、人工肌肉的制作原理人工肌肉的制作原理主要基于两种技术：微型电子和聚合物化学。
其中，微型电子技术主要是利用微电子器件实现人工肌肉的驱动和控制；而聚合物化学技术则是基于聚合物材料的力学和化学特性，来制造人工肌肉的材料。
微型电子技术包括传感器、电路和传动机构等几个部分。
传感器负责检测外部环境，如光、声、温度、湿度等信号；电路则将传感器采集的信号转化为电信号，送入传动机构控制人工肌肉的收缩和膨胀。
传动机构包括电动机、电磁铁、形状记忆合金等组件，它们可将电信号转化为机械能，进而控制人工肌肉的收缩和膨胀。
聚合物化学技术目前主要发展了两种人工肌肉制作方法：电致变形和机械致变形。
电致变形是利用聚合物材料在电场作用下发生形变的特性，通过改变电场的大小和方向来控制人工肌肉的膨胀和收缩。
机械致变形是通过控制聚合物材料的变形温度和压力，来触发人工肌肉的收缩和膨胀。
这两种方法均需要高灵敏度和高稳定性的电控技术和机械设计技术的配合，以实现人工肌肉的精确控制。
二、人工肌肉的应用领域人工肌肉作为一种新型机械器件，具有广泛的应用前景。
目前，人工肌肉已被应用于多种领域，包括医疗、仿生机器人和智能服装等。
在医疗领域，人工肌肉被广泛应用于康复治疗和假肢制造。
通过控制人工肌肉的收缩和膨胀，可以实现一定程度的肌肉运动和力量增强，可用于康复治疗中恢复肌肉功能和肌力。
同时，人工肌肉还可以被应用于假肢制造，配合神经控制系统实现更自然的肢体运动和力量输出。
在仿生机器人领域，人工肌肉的应用非常广泛。
由于人工肌肉具有生物肌肉类似的适应性和可塑性，能够实现更自然、更高效的运动方式，因此被广泛应用于仿生机器人的设计中。
特别是在灵巧机械手臂、智能双足机器人和可穿戴机器人等领域，人工肌肉的应用已经取得了一定的进展。
仿生人工肌肉.
仿生人工肌肉分类：学科建设| 标签：驱动材料聚合物弹性体机械2011-02-19 17:11阅读(?)评论(1)自古以来, 自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。
20 世纪中期, 人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性, 从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科。
随着研究的发展, 仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点。
进入21 世纪以来, 随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求, 作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。
电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点, 与肌肉有着极为相似的特性, 甚至在一些方面的性能已经超过了肌肉, 被公认为是最合适的仿肌肉材料, 称之为/ 人工肌肉。
近二十年来, 在电活性聚合物驱动材料方面取得的研究进展使得仿生的/ 人工肌肉研究得以飞速发展Progress in Biomimetic Electroactive Polymer Artificial Muscles。
肌肉是生物学上可收缩的组织, 具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能, 一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源, 人类很早就致力于仿生物肌肉的/人工肌肉研发。
上世纪50 年代, McKibben 首次研制了气动驱动器, 并发展成为商业上的McKibben 驱动器[1] , 但是作为人工肌肉材料, McKibben 驱动器体积大, 而且受到辅助系统的限制。
形状记忆合金也被尝试用作人工肌肉材料[ 2] , 与同时代的驱动材料相比, 具有高能量密度和低比重等特点, 但同样存在许多不利因素, 如形变不可预知性, 响应速度慢以及使用尺寸受限等, 这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。
电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选材料, 其响应速度较形状记忆合金快, 但是脆性大, 只能获得小于1% 的应变[ 3] 。
人工肌肉的研制与应用
人工肌肉的研制与应用人工肌肉是一种模仿人类肌肉的智能机械，具有多种应用领域。
随着现代科技的不断进步，人工肌肉的研制和应用也取得了显著的进展，成为了具有重要战略意义的前沿科技领域之一。
一、人工肌肉的研制人工肌肉的研制就是将一些类似于肌肉构造的材料或装置与电动力学相结合，通过一些机加工或管理控制方法来完成的。
根据材料不同，人工肌肉可分为压电人工肌肉、智能合金人工肌肉、液压人工肌肉、活性聚合物人工肌肉等。
1.1 压电人工肌肉压电材料具有压电效应，能够将机械能转化成电能，也可以将电能转化成机械能。
压电人工肌肉就是利用了良好的压电效应，将安装在不同的压电材料的两个表面上的金属电极进行交替触点的切换，实现了人工肌肉的弯曲和伸展，从而达到了肌肉的工作。
如压电材料Pb（ZrTi）O3（是一种铅氧钛压电陶瓷）的晶体方位变化会产生电荷分布的改变。
如果将两个引脚接到压电材料的两个表面上，并施加电压，它就能够在某个方向产生振荡运动。
有时，绕在某种电介质环绕的螺线管中还有一个这样的压电材料，螺线管就可以成为一块人工肌肉：当通高频信号时，螺线管会做变形收缩。
1.2 智能合金人工肌肉智能合金（Memory Alloy）是指具有记忆功能的合金。
温度敏感的智能合金受到控制电压的调节，能够发生形状记忆效应。
与传统的材料不同，智能合金能够在受到温度等外界环境的作用下，自我调节成为预定的形状，同时能够保持其弹性回程性质。
利用这一性质所制造的人工肌肉具有很好的可塑性和弹性。
1.3 液压人工肌肉液压人工肌肉是由一系列液体管道和小型活塞组成，利用液体在管内的压力差异来推动小型活塞的运动，从而实现了刚性运动。
液压人工肌肉性能稳定、动作幅度大、速度快、响应迅速，同时体积可调，可以降低成本。
1.4 活性聚合物人工肌肉活性聚合物人工肌肉具有一些与肌肉相似的特性如可伸缩、可弯曲、可扭曲等。
它的作用原理是，通过对其外部施加压力或电场等方式实现人工肌肉的伸缩变形，利用活性聚合物分子具有快速反应的特点，快速响应外界电场或压力的变化。
人造肌肉的研究
人造肌肉的研究随着科技的不断进步和发展，人造肌肉的研究也日渐成熟。
人造肌肉作为材料科学、机械工程、生物医学等多个领域的重要组成部分，具有广阔的应用前景。
本文将对人造肌肉的研究现状、应用前景以及未来发展进行探讨。
一、人造肌肉的研究现状人造肌肉是指基于人类肌肉机制实现机器或生物体的运动功能的人工材料或装置，其研究始于20世纪60年代。
目前，人造肌肉主要分为电致动人工肌肉和化学致动人工肌肉两类。
电致动人工肌肉是一种基于电致变形效应的新型材料，利用外界电场作用下的电致变形实现运动功能，如电致变形石英晶体、电致陶瓷、电致聚合物等。
其中，电致聚合物是应用最广泛的一种，其机理是在电场作用下，电极之间电荷的迁移使得聚合物内部分子朝向电场方向移动而引起体积变化。
一些具有独特结构的纤维形电致聚合物被设计成了鱼的器官、人工血管、衣物等。
化学致动人工肌肉是一种基于化学反应实现运动功能的成果，其机理包括亲水性/疏水性转换和化学反应驱动，如聚氨酯弹性体、DNA分子、聚合物水凝胶纤维等。
其最大的优势是化学反应的能量来源于化学反应而非电场，可以在没有电力的情况下进行工作，且响应速度更快。
化学致动人工肌肉可用于微型机器人、生物体内脏裂纹修复、心脏辅助装置等领域。
二、人造肌肉的应用前景人造肌肉具有广泛的应用前景，在医疗、机器人、飞行器等方面的应用也逐渐变得日益重要。
以机器人领域为例，人造肌肉的使用可大大降低生产成本，提高机器人的灵活度和韧性。
人造肌肉用于医学领域，在解决病患者身体肌肉功能减退和伤害后的康复治疗方面也具有巨大潜力。
对于航空航天领域而言，人造肌肉可以实现更高的资源利用效率，因为它不仅可以承担飞行载荷，还可以帮助飞机实现一些与降级故障相关的转换性质。
此外，在飞行过程中人造肌肉可以准确调整飞机的姿态和稳定性，从而使得操纵更加准确，在部分机械装置的重量与空间极小而迫切需要控制的情况下，可以更加灵活地满足工作要求，发挥其极高的运动学和动力学性能。
人工肌肉材料的制备及应用
人工肌肉材料的制备及应用随着科技的进步，人工智能、机器人等领域已经取得了长足的发展，而在这些领域中，人工肌肉材料的制备和应用也逐渐受到了人们的重视。
本文将从材料的制备和应用两个方面进行说明。
一、材料的制备人工肌肉材料通常由无机或有机材料制成。
无机材料主要包括电活性材料、金属材料和陶瓷材料，而有机材料则包括聚合物材料、超分子材料和生物大分子材料。
1.电活性材料电活性材料是指具有电学性能，在外界电场作用下可以发生收缩或扩张的材料。
常用的电活性材料包括聚硅氧烷电致伸缩材料、聚丙烯酸电致伸缩材料和聚乙烯醇电致伸缩材料等。
这些材料的制备过程主要是在基底上制备电极并进行化学修饰，利用在氧化还原反应中产生的离子来调节材料的形状和力学性能，进一步寻找电活性材料的最佳配方。
2.金属材料金属材料是指具有较高的机械性能和导电性能的材料。
常见的金属材料有铝、钛、铜等。
这些材料的制备常常采用离子束刻蚀、电沉积、激光烧蚀等物理和化学方法。
同时，通过改变金属的组分和微观结构来调节其性能，例如采用微弧氧化技术可以形成多孔结构的硬质膜，提高其生物相容性和抗腐蚀性能。
3.聚合物材料聚合物材料是指由单体分子聚合而成的高分子化合物，具有良好的机械性能和分子自组织能力。
广泛应用于人工肌肉材料中的聚合物材料有聚乳酸、聚己内酯、聚丙烯酸等。
这些材料的制备方法包括溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合等，通过调节聚合物的分子量、分子结构和侧链基团来调节其机械性能和工艺性能。
二、材料的应用人工肌肉材料的应用包括医学、机器人、仿生学等领域。
1.医学应用人工肌肉材料可以用于肌肉替代、修复和复原。
例如，通过设计和制备可活动的人工肌肉材料，可以给失去肌肉功能的人士带来帮助，减轻和解决一些身体功能的障碍。
此外，一些医疗设备还使用了人工肌肉材料，如人工心脏、人工胰岛素泵等，这些设备可以使得医疗行业更加的便捷和效率化。
2.机器人应用人工肌肉材料也可以用于机器人领域中。
人工肌肉的研究和应用
人工肌肉的研究和应用一、引言人工肌肉这个概念，通常会被大家想象成一些奇特的机器人手臂或腿部，但其实除了这些传统的想法，人工肌肉还有着广泛的应用场景。
随着科技的不断发展，人工肌肉正逐渐演化为一种新型材料，拥有越来越多的实用性和市场价值。
本文将阐述人工肌肉的相关研究和具体应用，旨在提供对其发展和前景的了解和认识。
二、人工肌肉的定义和基本原理首先我们要明确，人工肌肉是一种由活性聚合物、电致活性材料或其他可能形成收缩延伸运动的元件构成的新型材料。
在这些材料中，电致活性材料尤其是电致致动聚合物材料是最常见的。
这类材料在感受到电压或电场时会发生体积变化，产生与真正的肌肉相似的运动，因此被称作“人工肌肉”。
其基本原理是，当这种材料受到电场激发时，会引起材料及其表面的体积变化，从而通过这一运动效应，在不同的应用领域发挥出各种不同的功能。
人工肌肉的许多特点和特性，如柔软可塑、可逆损伤、自愈能力强等，与真正的生物肌肉十分类似。
三、人工肌肉的应用针对不同的应用场景，人工肌肉可以被制成不同形态的机器人元件，例如灵活的手指、腿部的关节、甚至是更复杂的生物内科学工具。
下面，我们将详细讨论人工肌肉的现有和潜在的几个应用领域。
1.仿生机器人人工肌肉作为一种替代传统机器人的重要材料，可以被广泛的应用在现代仿生机器人的设计中。
比如，在机器人手臂中，人工肌肉能够比传统机器人手臂更加灵活地模拟人的手部运动，让机器人能够更好地模拟人的动作，或者实现更高的精准度和复杂性。
这些机器人可以在医疗、教育、工程等领域中发挥出巨大的作用。
2.医疗器械人工肌肉还可以应用于制作医疗器械，医用人工肌肉在仿真医学领域具有潜在的应用价值。
例如，人工心脏中应用电致活性材料的人工肌肉能够更好地模拟正常的心脏肌肉收缩和松弛，与当前的心脏辅助装置的机械结构相比，更为生理学的模拟可能会带来更好的治疗效果和患者的生活质量。
此外，在手术器械和生物传感器等领域中，人工肌肉也有着广泛的应用前景。
人工肌肉的设计和制作
人工肌肉的设计和制作在大自然中，肌肉是人类和动物体内最重要的器官之一，其具有协调运动、产生动力、保持姿势等多种功能。
人类发现了肌肉的作用并且在晚近的时间里成功地设计出了人工肌肉。
近年来，随着科技的不断进步，人工肌肉的研究也更加深入，各类人工肌肉的设计和制造也日益完善和多样化。
本文将主要介绍人工肌肉的设计和制作的相关原理和技术。
一、人工肌肉基础知识人工肌肉的主要原理是利用可控材料的形变产生力量，实现类似动物的肌肉收缩和舒张的功能。
目前，广泛应用的人工肌肉材料主要有电活性聚合物、金属合金、陶瓷、纳米材料等。
1.电活性聚合物电活性聚合物是指受电场刺激后可以产生机械运动的一类聚合物，其在人工肌肉中的应用非常广泛。
目前，应用最为广泛的电活性聚合物包括聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇/聚丙烯酰胺复合物等。
这些材料通过电场调控其化学、结构和物理性质的变化，进而产生机械运动。
2.金属合金金属合金作为一种老牌材料，其在人工肌肉的研究中也有很多应用。
比如，铜、锌和铝的合金具有快速的收缩和舒张能力，可以用于制作高速运动的人工肌肉。
另外，钛、镁、镍钛和铈锆合金也有广泛的应用。
3.陶瓷陶瓷是一种硬、脆、耐高温、抗腐蚀、不导电、不磁性的材料。
其在人工肌肉的研究中也有很多应用。
比如，采用铝氧化物、氧化锆和氧化钇等陶瓷材料制作的肌肉可以快速地产生收缩和舒张。
4.纳米材料纳米材料是一种新型的材料，其特点是尺寸小、比表面积大、性能优异。
纳米材料在人工肌肉研究中的应用还处于初期研究阶段，在肌肉形变、肌肉机械、肌肉运动控制等方面有着广泛的应用前景。
二、人工肌肉的制作人工肌肉是一种高技术含量的产品，其制作过程需要借助多种工具和科技手段。
1.织构和生产人工肌肉的织构和生产需要选用合适的材料，一般需要对材料进行粉碎、磨粉、干燥、过筛等操作，制作出具备良好紧密程度和均匀性的材料。
另外，采用3D打印技术或激光切割等技术，也可以为制造人工肌肉提供更高效便捷的生产手段。
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仿生材料电活性聚合物/人工肌肉0的研究进展李晓锋梁松苗李艳芳王永鑫徐坚*(高分子物理与化学国家重点实验室,中国科学院化学研究所,北京100080)摘要:自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。
20世纪中期,人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性,从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科。
随着研究的发展,仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点。
进入21世纪以来,随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求,作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。
电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点,与肌肉有着极为相似的特性,甚至在一些方面的性能已经超过了肌肉,被公认为是最合适的仿肌肉材料,称之为/人工肌肉0。
近二十年来,在电活性聚合物驱动材料方面取得的研究进展使得仿生的/人工肌肉0研究得以飞速发展。
关键词:仿生;人工肌肉;电活性聚合物;驱动器引言肌肉是生物学上可收缩的组织,具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能,一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源,人类很早就致力于仿生物肌肉的/人工肌肉0研发。
上世纪50年代,M cKibben首次研制了气动驱动器,并发展成为商业上的Mc Kibben驱动器[1],但是作为人工肌肉材料,M cKibben驱动器体积大,而且受到辅助系统的限制。
形状记忆合金也被尝试用作人工肌肉材料[2],与同时代的驱动材料相比,具有高能量密度和低比重等特点,但同样存在许多不利因素,如形变不可预知性,响应速度慢以及使用尺寸受限等,这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。
电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选材料,其响应速度较形状记忆合金快,但是脆性大,只能获得小于1%的应变[3]。
由于受材料的限制,人工肌肉的研究一直出于缓慢发展阶段,直到一类新型材料)))电活性聚合物(Electroactive polymers,E AP)的出现。
E AP可以产生的应变比电活性陶瓷大两个数量级,并且较形状记忆合金响应速度快、密度小、回弹力大,另外具有类似生物肌肉的高抗撕裂强度及固有的振动阻尼性能等[4]。
EA P的出现给人工肌肉领域以新的冲击,从上个世纪90年代初开始,基于电活性聚合物材料的人工肌肉驱动器得到快速发展。
电活性聚合物驱动材料是指能够在电流、电压或电场作用下产生物理形变的聚合物材料,其显著特征是能够将电能转化为机械能。
EA P开发应用可追溯到1880年,伦琴发现一端固定的橡胶条在电场下可以发生长度的改变[5]。
之后在1925年压电聚合物被发现,但由于应变和做功很小,只被用作传感器[6]。
1949年Katchalsky[7]发现胶原质纤维在酸碱溶液中可重复收缩和膨胀,这是聚合物材料的化学响应性首次被发现。
1969[8]年,研究者发现PVD F材料具有较大的压电效应,人们开始把目光投向其它聚合物体系,之后大量具有铁电性质的电活性聚合物材料被开发出来。
人工肌肉研究最大的发展发生在最近十几年,应变可以达到380%甚至更大的材料已被研制出[9]。
随着E AP材料研究的不断深入和发展,其巨大的应用前景已呈现在人们面前。
E AP材料可作为人工肢体和人造器官、内窥镜导管、供宇航员和残疾人用的增力外骨架以及制作机器人肌肉,可用于制造尺寸更加细小的器件用于基因工程来操作细胞。
利用电活性聚合物可实现设备与器件的小型化,从而推动微电子机械技术的发展。
目前国际上研究目标之一是制造/昆虫0机器人,可用于军事、医疗等领域。
利用电活性聚合物模仿鱼尾作为推进器,可用于制基金项目:国家自然科学基金(50425312,50521302,50673097),973项目(2007CB936400)和中国科学院方向性创新项目;*作者简介:李晓锋(1982-),男,博士研究生,从事凝胶电场驱动研究;*通讯联系人,E2mail:jxu@.造无噪声的微型舰船。
基于此构想,电活性聚合物的第一个商业用途早已实现,但仅作为玩具)))2002年12月,日本大阪的一家公司生产出一种机械鱼,可以在水中自由地游弋。
这是聚合物人工肌肉发展史上的一个里程碑。
目前已经被开发的科学应用领域主要有:人机械面、飞行器应用、可控制织物、机器人、医疗等,然而大都处于实验阶段。
根据形变产生的机制,电活性聚合物人工肌肉材料可以分为电子型和离子型两大类[10]。
电子型即电场活性材料,通过电场以及静电作用(库仑力)驱动,因为驱动体系不需要保持在湿态环境下,也被称为干驱动体系。
这一类主要包括电介质弹性体、压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物及液晶弹性体。
电致伸缩纸和电致粘弹性弹性体也属于此类,但在本文不做详细说明;离子型聚合物即电流活性材料,包括聚合物电解质凝胶、碳纳米管复合材料、离子聚合物2金属复合材料和导电聚合物,因为体系需在湿态环境下工作,也称湿驱动体系,主要通过离子的运动所引起的形变来达到驱动的目的。
由于电子比离子移动的更快些,电子型聚合物的反应时间较短,仅几微秒,其能量密度也较大,并可长时间在空气中运行,而离子材料在必须浸浴在液体溶剂中。
然而,长期以来电子聚合物要求在很强的电场中才能实现收缩(150M v P m)。
由于EAP材料和体系的开发,有些材料或体系的驱动机理已经超越这些分类,于是Otero[11]在2007年S PIE会议上提出新的分类方法,根据其驱动是物理过程还是化学过程分为电机械材料和电化学机械材料。
但考虑到这一新的分类还未得到广泛的接受,在此文中作者仍将采用之前广为接受的分类来讨论各类电活性聚合物驱动材料的研究进展。
另外,作者将对介电液体凝胶的线形驱动做一些介绍。
1电子型人工肌肉电子型EAP通过分子尺寸上的静电力(库仑力)作用使聚合物分子链重新排列以实现体积上各个维度的膨胀和收缩。
这种电机械转化是一种物理过程[12],包括两种机制,电致伸缩效应和Ma xwell效应。
两种机制所产生的应力和应变都与电场的平方成正比。
驱动器所产生的应变可能是一种机制所产生,如电介质弹性体,或者是两种机制同时作用,如聚氨酯和接枝弹性体。
电致伸缩是由于材料介电性质的改变而引起的应变。
电极化与机械应变关系如下,Selectrostriction=-Q E o2(E r-1)2E2(1) Selectrostric tion表示电致伸缩所导致的纵向应变,即在膜厚方向的应变,Q是电致伸缩系数,E o是真空介电常数,E r是相对介电常数,E是电场强度。
介电常数E,由真空介电常数和相对介电常数相乘所得(E= E o E r)。
若要发生电致伸缩现象,材料结构中必须含有结晶区域。
当材料发生预应变时其介电常数增大则预示着电致伸缩效应出现的可能性。
材料的介电常数可通过介电分析仪测得。
另外,在电致伸缩聚合物中还发现了一种新的机理,聚合物偶极子的方向改变会引起体积的变化,这就是铁电效应。
Ma xwell应力是电介质中电场分布发生变化的结果。
一种解释认为是电极间相反电荷之间的库仑力。
S Max well=-s E o E r E2P2(2) S Max well是膜厚方向上的应变,s是弹性柔量,应力与介电常数成比例。
Ma等[13]认为丙烯酸类弹性体的场致应变主要由M axwell应力导致,因为试验数据和方程式所得结果符合的很好。
这种机理在低模量材料比如具有高应变的电介质弹性体中起主要作用。
电子型EA P的优点是形变大,但是有一个明显的不利因素,那就是需要很高的电场强度(150M V P m),这就使得驱动电压一般高于1kv,但是由于电流很低,电能消耗较低。
111电介质弹性体电介质弹性体是化学交联的软弹性体,可以提供很大的场致应变(10%~100%),而一般哺乳动物的应变为20%左右。
电介质弹性体是目前研究人员最为关注的聚合物驱动材料,具有质轻、价廉、噪音小及柔软可塑性强等特点。
这类材料通过Maxw ell应力产生应变。
电介质弹性体驱动器从原理上讲是一个平行板电容器,弹性体膜介于两个平行金属电极之间,类似三明治结构。
当在两金属电极上施加上千伏的高压直流电压时,两电极之间产生的静电引力在膜厚方向上挤压弹性体膜,使之在水平方向上扩张,关闭电压,弹性体薄膜恢复原来的形状(见图1)。
图1电介质弹性体驱动原理示意图[14]Figure1Schematics of the Dielectric elastomer actuators电介质弹性体通过两种方式将电能转化为机械能。
其一,当电极面积扩大而距离接近时,正负电极的接近伴随着相反电荷的靠近,金属电极间的电势能降低,根据能力守恒定律,降低的电势能转化为机械能;其二,金属电极面积扩大,电极上分布的同种电荷距离增大,同样电荷间电势能降低,电能转化为机械能。
电介质弹性体在驱动时体积保持不变,因此平行的电极板将两种转换方式很好的结合,使之能同时发挥最大作用。
驱动应力可定义如下[15]:p=E o E r E2=E o E r(V P t)2(3) p为驱动应力,V为电压,t为膜厚。
应力和场强的平方及介电常数成比例。
场强越大,其承载的应力越大,驱动的功效也就越大。
因此,要想得到有效的驱动就需要很高的电场,即需要很高的电压。
但是,驱动电压过高会限制其在很多方面的应用。
在膜比较薄的情况下,高电场可以由低电压得到,但是当膜非常薄时,很难得到大面积的均匀膜。
一般膜的厚度为微米级别,需要几千伏的驱动电压。
研究人员寻求保持较高的驱动应力而电压尽可能低的方法,其中包括预应变及使用导电纤维作为支架以制备更薄的膜。
预应变过程降低了介电常数,但同时提高了击穿场强,其净效应是驱动应力的增加[12]。
常用的电介质弹性体为硅树脂和丙烯酸树脂橡胶,这两种弹性体表现出的性能十分接近生物肌肉。
两种橡胶都是无定型态,不含结晶态,电机械响应主要是由于M axw ell应力,因为电致伸缩需要材料中含有晶态。
测试结果将人们的目光聚焦在两种产品上,C F1921286硅树脂及V HB4910丙烯酸树脂,它们的驱动应变分别达到117%和215%[16]。
两种材料的驱动应力都能达到8M Pa,能量密度为3J P c m3,最高可达314J P c m3。
由于材料的低模量和高击穿场强,使得丙烯酸树脂在高电场下的最大应变可以达到380%[17]。
SRI将多层驱动器重叠起来制成柱形弹簧卷驱动器[17],这个驱动器可产生约8M Pa的应力,相当于真人肌肉的30倍。
驱动器大小与一个手指头相似,可侧向弯曲,形变时能举起1kg重的物体,SRI成功将此驱动器用于六腿机器人FL EX2[18],FL EX2具有类生物的行进步态,速度可达315cm P s。
EM PA团队将此柱形弹簧卷用于机器人手臂,在2005年第一次举行的人机手臂角力比赛中与17岁的女中学生角力[19]。