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Polímero electroactivo

Dispositivo de agarre EAP en reposo Se aplica un voltaje y los dedos EAP se deforman para liberar la bola. Se elimina el voltaje y los dedos EAP vuelven a su forma original y su...

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  1. Dispositivo de agarre EAP en reposo
  2. Se aplica un voltaje y los dedos EAP se deforman para liberar la bola.
  3. Se elimina el voltaje y los dedos EAP vuelven a su forma original y sujetan la pelota.

Un polímero electroactivo ( PEA ) es un polímero que presenta un cambio de tamaño o forma cuando es estimulado por un campo eléctrico . Las aplicaciones más comunes de este tipo de material se encuentran en actuadores [ 1 ] y sensores [ 2 ] [ 3 ] . Una propiedad característica típica de un PEA es que experimentará una gran cantidad de deformación al soportar grandes fuerzas .

La mayoría de los actuadores históricos están hechos de materiales piezoeléctricos cerámicos . Si bien estos materiales pueden soportar grandes fuerzas, generalmente solo se deforman una fracción de un porcentaje. A finales de la década de 1990, se demostró que algunos EAP pueden exhibir una deformación de hasta el 380 % , lo que es mucho más que cualquier actuador cerámico. [ 1 ] Una de las aplicaciones más comunes de los EAP es en el campo de la robótica para el desarrollo de músculos artificiales; por lo tanto, a un polímero electroactivo se le suele llamar músculo artificial .

Historia

El campo de los EAP surgió en 1880, cuando Wilhelm Röntgen diseñó un experimento en el que probó el efecto de un campo electrostático sobre las propiedades mecánicas de una tira de caucho natural. [ 4 ] La tira de caucho estaba fija en un extremo y unida a una masa en el otro. Luego se rociaron cargas eléctricas sobre el caucho y se observó que su longitud cambiaba. Fue en 1925 cuando se descubrió el primer polímero piezoeléctrico ( electret ). El electret se formó combinando cera de carnauba , colofonia y cera de abejas , y luego enfriando la solución mientras se le aplicaba una polarización eléctrica de CC . La mezcla se solidificaba en un material polimérico que exhibía un efecto piezoeléctrico .

Los polímeros que responden a condiciones ambientales distintas a la corriente eléctrica aplicada también han sido una parte importante de esta área de estudio. En 1949, Katchalsky et al. demostraron que cuando los filamentos de colágeno se sumergen en soluciones ácidas o alcalinas , responden con un cambio de volumen . [ 5 ] Se observó que los filamentos de colágeno se expandían en una solución ácida y se contraían en una solución alcalina . Si bien se han investigado otros estímulos (como el pH ), debido a su facilidad y practicidad, la mayor parte de la investigación se ha dedicado al desarrollo de polímeros que responden a estímulos eléctricos para imitar sistemas biológicos.

El siguiente gran avance en los EAP tuvo lugar a finales de la década de 1960. En 1969, Kawai demostró que el fluoruro de polivinilideno (PVDF) exhibe un gran efecto piezoeléctrico. [ 5 ] Esto despertó el interés de la investigación en el desarrollo de otros polímeros que mostraran un efecto similar. En 1977, Hideki Shirakawa y colaboradores descubrieron los primeros polímeros conductores de electricidad . [ 6 ] Shirakawa, junto con Alan MacDiarmid y Alan Heeger , demostraron que el poliacetileno era conductor de electricidad y que, al doparlo con vapor de yodo , podían aumentar su conductividad en 8 órdenes de magnitud. Por lo tanto, la conductancia era cercana a la de un metal. A finales de la década de 1980, se había demostrado que varios otros polímeros exhibían un efecto piezoeléctrico o eran conductores.

A principios de la década de 1990, se desarrollaron compuestos poliméricos iónicos-metálicos (IPMC) que demostraron exhibir propiedades electroactivas muy superiores a las de los EAP anteriores. La principal ventaja de los IPMC radicaba en su capacidad de activación (deformación) a voltajes tan bajos como 1 o 2 voltios . [ 5 ] Esto representa órdenes de magnitud menores que cualquier EAP anterior. La energía de activación de estos materiales no solo era mucho menor, sino que también podían experimentar deformaciones mucho mayores. Se demostró que los IPMC podían exhibir una deformación de hasta el 380 %, órdenes de magnitud mayores que las de los EAP desarrollados previamente. [ 1 ]

En 1999, Yoseph Bar-Cohen propuso el desafío de pulsos entre brazos robóticos de EAP y humanos . [ 5 ] Este desafío consistía en que grupos de investigación de todo el mundo compitieran para diseñar un brazo robótico compuesto por músculos EAP capaz de derrotar a un humano en un pulso . El primer desafío se celebró en la Conferencia de Actuadores y Dispositivos de Polímeros Electroactivos en 2005. [ 5 ] Otro hito importante en este campo es que el primer dispositivo desarrollado comercialmente que incluía EAP como músculo artificial fue producido en 2002 por Eamex en Japón. [ 1 ] Este dispositivo era un pez que podía nadar por sí mismo, moviendo su cola mediante un músculo EAP. Sin embargo, el progreso en el desarrollo práctico no ha sido satisfactorio. [ 7 ]

La investigación financiada por DARPA en la década de 1990 en SRI International , dirigida por Ron Pelrine, desarrolló un polímero electroactivo utilizando silicona y polímeros acrílicos; la tecnología se escindió en la empresa Artificial Muscle en 2003, y la producción industrial comenzó en 2008. [ 8 ] En 2010, Artificial Muscle se convirtió en una subsidiaria de Bayer MaterialScience . [ 9 ]

Tipos

Los EAP pueden tener varias configuraciones, pero generalmente se dividen en dos clases principales: dieléctricas e iónicas.

Dieléctrico

Los polímeros electroestrictivos dieléctricos (EAP, por sus siglas en inglés) son materiales cuya actuación se produce por fuerzas electrostáticas entre dos electrodos que comprimen el polímero. Los elastómeros dieléctricos son capaces de soportar deformaciones muy elevadas y, fundamentalmente, actúan como un condensador cuya capacitancia cambia al aplicarse un voltaje, permitiendo que el polímero se comprima en espesor y se expanda en área debido al campo eléctrico. Este tipo de EAP normalmente requiere un voltaje de actuación elevado para generar campos eléctricos altos (de cientos a miles de voltios ), pero un consumo de energía eléctrica muy bajo . Los EAP dieléctricos no requieren energía para mantener el actuador en una posición determinada. Algunos ejemplos son los polímeros electroestrictivos y los elastómeros dieléctricos.

Polímeros ferroeléctricos

Estructura del poli(fluoruro de vinilideno)

Los polímeros ferroeléctricos son un grupo de polímeros polares cristalinos que también son ferroeléctricos , lo que significa que mantienen una polarización eléctrica permanente que puede invertirse o conmutarse en un campo eléctrico externo . [ 10 ] [ 11 ] Los polímeros ferroeléctricos, como el fluoruro de polivinilideno (PVDF), se utilizan en transductores acústicos y actuadores electromecánicos debido a su respuesta piezoeléctrica inherente , y como sensores de calor debido a su respuesta piroeléctrica inherente . [ 12 ]

Polímeros de injerto electroestrictivos

Un polímero de injerto electroestrictivo

Los polímeros de injerto electroestrictivos constan de cadenas principales flexibles con cadenas laterales ramificadas. Las cadenas laterales de los polímeros principales vecinos se entrecruzan y forman unidades cristalinas. Estas unidades cristalinas, tanto de la cadena principal como de las cadenas laterales, pueden formar monómeros polarizados que contienen átomos con cargas parciales y generan momentos dipolares. [ 13 ]

Al aplicar un campo eléctrico, se ejerce una fuerza sobre cada carga parcial, lo que provoca la rotación de toda la unidad polimérica. Esta rotación genera tensión electroestrictiva y deformación del polímero.

Polímeros cristalinos líquidos

Los polímeros cristalinos líquidos de cadena principal poseen grupos mesogénicos unidos entre sí por un espaciador flexible. Los mesógenos dentro de la cadena principal forman la estructura de la mesofase, lo que provoca que el polímero adopte una conformación compatible con dicha estructura. El acoplamiento directo del orden cristalino líquido con la conformación del polímero ha generado un gran interés en los elastómeros cristalinos líquidos de cadena principal. [ 14 ] La síntesis de elastómeros altamente orientados permite una gran deformación mediante actuación térmica a lo largo de la cadena polimérica, con variaciones de temperatura que dan lugar a propiedades mecánicas únicas y posibles aplicaciones como actuadores mecánicos.

Iónico

Los polímeros electroactivos iónicos ( EAP) son polímeros cuya activación se produce por el desplazamiento de iones en su interior. Si bien se requieren solo unos pocos voltios para la activación, el flujo iónico implica que se necesita mayor potencia eléctrica y energía para mantener el actuador en una posición determinada.

Ejemplos de EAP iónicos son los polímeros conductores , los compuestos poliméricos-metálicos iónicos (IPMC) y los geles sensibles. Otro ejemplo es un actuador de gel Bucky, que consiste en una capa de material polielectrolítico soportada por polímero, formada por un líquido iónico intercalado entre dos capas de electrodos , que a su vez es un gel de líquido iónico que contiene nanotubos de carbono de pared simple . [ 15 ] El nombre proviene de la similitud del gel con el papel que se puede fabricar filtrando nanotubos de carbono, el llamado buckypaper . [ 16 ]

fluido electrorreológico

Los fluidos electrorreológicos cambian de viscosidad al aplicarles un campo eléctrico. El fluido es una suspensión de polímeros en un líquido de baja constante dieléctrica. [ 17 ] Al aplicar un campo eléctrico intenso, la viscosidad de la suspensión aumenta. Entre las posibles aplicaciones de estos fluidos se incluyen amortiguadores, soportes de motor y amortiguadores acústicos. [ 17 ]

Compuesto de polímero iónico-metal

En ausencia de un campo eléctrico, los cationes en el compuesto iónico de polímero y metal se orientan aleatoriamente. Al aplicar un campo, los cationes se agrupan en el lado del polímero que está en contacto con el ánodo, lo que provoca que el polímero se doble.

Los compuestos iónicos de polímero-metal consisten en una fina membrana ionomérica con electrodos de metal noble depositados en su superficie. También contienen cationes para equilibrar la carga de los aniones fijados a la cadena principal del polímero. [ 18 ] Son actuadores muy activos que muestran una deformación muy alta a bajo voltaje aplicado y presentan baja impedancia. Los compuestos iónicos de polímero-metal funcionan mediante la atracción electrostática entre los contraiones catiónicos y el cátodo del campo eléctrico aplicado. Este tipo de polímeros muestra el mayor potencial para usos biomiméticos, ya que las fibras de colágeno están compuestas esencialmente de polímeros iónicos cargados naturales. [ 19 ] Nafion y Flemion son compuestos iónicos de polímero-metal de uso común. [ 20 ]

Geles sensibles a estímulos

Los geles sensibles a estímulos ( hidrogeles , cuando el agente de hinchamiento es una solución acuosa) son un tipo especial de redes poliméricas hinchables con comportamiento de transición de fase volumétrica. Estos materiales cambian reversiblemente su volumen, propiedades ópticas, mecánicas y otras propiedades mediante alteraciones muy pequeñas de ciertos estímulos físicos (p. ej., campo eléctrico, luz, temperatura) o químicos (concentraciones). [ 21 ] El cambio de volumen de estos materiales se produce por hinchamiento/contracción y se basa en la difusión. Los geles proporcionan el mayor cambio de volumen de los materiales de estado sólido. [ 22 ] Combinados con una excelente compatibilidad con las tecnologías de microfabricación, los hidrogeles sensibles a estímulos son especialmente de gran interés para microsistemas con sensores y actuadores. Los campos actuales de investigación y aplicación son los sistemas de sensores químicos, la microfluídica y los sistemas de imágenes multimodales.

Comparación de EAP dieléctricos e iónicos

Los polímeros dieléctricos pueden mantener su desplazamiento inducido al activarse bajo un voltaje de CC. [ 23 ] Esto permite considerarlos para aplicaciones robóticas. Este tipo de materiales también presenta una alta densidad de energía mecánica y puede funcionar en el aire sin una disminución significativa de su rendimiento. Sin embargo, los polímeros dieléctricos requieren campos de activación muy elevados (>10  V/μm), cercanos al nivel de ruptura.

Por otro lado, la activación de polímeros iónicos requiere solo 1-2  voltios. Sin embargo, necesitan mantenerse húmedos, aunque se han desarrollado algunos polímeros como activadores encapsulados autónomos que permiten su uso en ambientes secos. [ 19 ] Los polímeros iónicos también presentan un bajo acoplamiento electromecánico. No obstante, son ideales para dispositivos biomiméticos.

Caracterización

Si bien existen muchas maneras diferentes de caracterizar los polímeros electroactivos, aquí solo se abordarán tres: la curva tensión-deformación, el análisis termomecánico dinámico y el análisis térmico dieléctrico.

Curva tensión-deformación

El polímero, en ausencia de tensión, forma espontáneamente una estructura plegada. Al aplicarle una tensión, el polímero recupera su longitud original.

Las curvas de tensión-deformación proporcionan información sobre las propiedades mecánicas del polímero, como su fragilidad, elasticidad y límite elástico. Esto se logra aplicando una fuerza al polímero de forma uniforme y midiendo la deformación resultante. [ 24 ] Esta técnica es útil para determinar el tipo de material (frágil, resistente, etc.), pero es destructiva, ya que la tensión se incrementa hasta que el polímero se fractura.

Análisis termomecánico dinámico (DMTA)

El análisis mecánico dinámico es una técnica no destructiva útil para comprender el mecanismo de deformación a nivel molecular. En el DMTA, se aplica una tensión sinusoidal al polímero y, a partir de su deformación, se obtienen el módulo elástico y las características de amortiguación (suponiendo que el polímero es un oscilador armónico amortiguado ). [ 24 ] Los materiales elásticos toman la energía mecánica de la tensión y la convierten en energía potencial, la cual puede recuperarse posteriormente. Un resorte ideal utilizará toda la energía potencial para recuperar su forma original (sin amortiguación), mientras que un líquido utilizará toda la energía potencial para fluir, sin volver jamás a su posición o forma original (alta amortiguación). Un polímero viscoelástico exhibirá una combinación de ambos tipos de comportamiento. [ 24 ]

Análisis térmico dieléctrico (DETA)

DETA es similar a DMTA, pero en lugar de una fuerza mecánica alterna, se aplica un campo eléctrico alterno. El campo aplicado puede provocar la polarización de la muestra, y si el polímero contiene grupos con dipolos permanentes, estos se alinearán con el campo eléctrico. [ 24 ] La permitividad se puede medir a partir del cambio de amplitud y descomponer en componentes de almacenamiento y pérdida dieléctrica. El campo de desplazamiento eléctrico también se puede medir siguiendo la corriente. [ 24 ] Una vez que se elimina el campo, los dipolos se relajan y vuelven a una orientación aleatoria.

Aplicaciones

Un brazo controlado por EAP. Al aplicar voltaje (músculos azules), el polímero se expande. Al retirar el voltaje (músculos rojos), el polímero vuelve a su estado original.

Los materiales EAP se pueden fabricar fácilmente en diversas formas gracias a la facilidad de procesamiento de muchos materiales poliméricos, lo que los convierte en materiales muy versátiles. Una posible aplicación de los EAP es su integración en sistemas microelectromecánicos (MEMS) para la producción de actuadores inteligentes.

Músculos artificiales

Como la dirección de investigación práctica más prometedora, los EAP se han utilizado en músculos artificiales . [ 25 ] Su capacidad para emular el funcionamiento de los músculos biológicos con alta tenacidad a la fractura , gran deformación de actuación y amortiguación de vibraciones inherente atrae la atención de los científicos en este campo. [ 5 ] Los EAP incluso se han utilizado con éxito para crear un tipo de mano. [ 25 ]

Pantallas táctiles

En los últimos años, los "polímeros electroactivos para pantallas Braille actualizables" [ 26 ] han surgido para ayudar a las personas con discapacidad visual en la lectura rápida y la comunicación asistida por computadora. Este concepto se basa en el uso de un actuador EAP configurado en forma de matriz. Filas de electrodos en un lado de una película EAP y columnas en el otro activan elementos individuales de la matriz. Cada elemento lleva un punto Braille y se baja aplicando un voltaje a través del grosor del elemento seleccionado, lo que provoca una reducción local del grosor. Bajo control informático, los puntos se activarían para crear patrones táctiles de alturas y valles que representan la información que se va a leer.

Pantalla táctil de alta resolución compuesta por 4320 píxeles actuadores (60x72) basados ​​en hidrogeles sensibles a estímulos. La densidad de integración del dispositivo es de 297 componentes por cm². Esta pantalla proporciona impresiones visuales (monocromáticas) y físicas (contornos, relieve, texturas, suavidad) de una superficie virtual. [ 27 ]

Las impresiones visuales y táctiles de una superficie virtual se muestran mediante una pantalla táctil de alta resolución, denominada "piel artificial". [ 28 ] Estos dispositivos monolíticos constan de una matriz de miles de moduladores multimodales (píxeles actuadores) basados ​​en hidrogeles sensibles a estímulos. Cada modulador puede modificar individualmente su transmisión, altura y suavidad. Además de su posible uso como pantallas gráficas para personas con discapacidad visual, estas pantallas resultan interesantes como teclas programables libres para paneles táctiles y consolas.

Microfluídica

Los materiales EAP tienen un enorme potencial para la microfluídica, por ejemplo, como sistemas de administración de fármacos , dispositivos microfluídicos y laboratorios en un chip . Una primera tecnología de plataforma microfluídica reportada en la literatura se basa en geles sensibles a estímulos. Para evitar la electrólisis del agua, los dispositivos microfluídicos basados ​​en hidrogeles se basan principalmente en polímeros sensibles a la temperatura con características de temperatura crítica de solución inferior (LCST), que se controlan mediante una interfaz electrotérmica. Se conocen dos tipos de microbombas: una microbomba de difusión y una microbomba de desplazamiento. [ 29 ] Las microválvulas basadas en hidrogeles sensibles a estímulos muestran algunas propiedades ventajosas, como tolerancia a partículas, ausencia de fugas y excelente resistencia a la presión. [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]

Además de estos componentes microfluídicos estándar, la plataforma de hidrogel también proporciona sensores químicos [ 33 ] y una nueva clase de componentes microfluídicos: los transistores químicos (también conocidos como válvulas quimiostáticas) [ 34 ] . Estos dispositivos regulan el flujo de un líquido cuando se alcanza una concentración umbral de una sustancia química determinada. Los transistores químicos constituyen la base de los circuitos integrados microquímicos fluidos. Los "CI químicos" procesan exclusivamente información química, son autoalimentados, funcionan automáticamente y son adecuados para la integración a gran escala [ 35 ] .

Otra plataforma microfluídica se basa en materiales ionoméricos . Las bombas fabricadas con este material podrían ofrecer funcionamiento a bajo voltaje ( batería ), un nivel de ruido extremadamente bajo, alta eficiencia del sistema y un control de caudal muy preciso. [ 36 ]

Otra tecnología que puede beneficiarse de las propiedades únicas de los actuadores EAP son las membranas ópticas. Debido a su bajo módulo, la impedancia mecánica de los actuadores se adapta bien a los materiales comunes de membranas ópticas . Además, un solo actuador EAP es capaz de generar desplazamientos que van desde micrómetros hasta centímetros. Por esta razón, estos materiales pueden utilizarse para la corrección estática de la forma y la supresión de vibraciones. Estos actuadores también podrían utilizarse para corregir las aberraciones ópticas debidas a la interferencia atmosférica. [ 37 ]

Dado que estos materiales exhiben un excelente carácter electroactivo, los materiales EAP muestran potencial en la investigación de robots biomiméticos , sensores de tensión y el campo de la acústica , lo que hará que los EAP se conviertan en un tema de estudio más atractivo en un futuro próximo. Se han utilizado para diversos actuadores, como los músculos faciales y los músculos de los brazos en robots humanoides. [ 38 ]

Direcciones futuras

El campo de los EAP está lejos de estar maduro, lo que deja varios problemas que aún deben abordarse. [ 5 ] El rendimiento y la estabilidad a largo plazo del EAP deben mejorarse diseñando una superficie impermeable al agua . Esto evitará la evaporación del agua contenida en el EAP y también reducirá la posible pérdida de los contraiones positivos cuando el EAP opere sumergido en un entorno acuoso . Se debe explorar una conductividad superficial mejorada utilizando métodos para producir una superficie conductora libre de defectos. Esto podría hacerse posiblemente mediante deposición de vapor de metal u otros métodos de dopaje. También podría ser posible utilizar polímeros conductores para formar una capa conductora gruesa. Sería deseable un EAP resistente al calor para permitir el funcionamiento a voltajes más altos sin dañar la estructura interna del EAP debido a la generación de calor en el compuesto del EAP. El desarrollo de EAP en diferentes configuraciones (por ejemplo, fibras y haces de fibras) también sería beneficioso para aumentar el rango de posibles modos de movimiento.

Véase también

Referencias

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  38. ↑ http://eap.jpl.nasa.gov/ Archivado el 9 de mayo de 2013 en Wayback Machine NASA WorldWide Electroactive Polymer Actuators Webhub

Lecturas adicionales

  • Actuadores de polímeros electroactivos (EAP) como músculos artificiales: realidad, potencial y desafíos , ISBN 978-0819452979
  • Polímeros electroactivos como músculos artificiales: realidad y desafíos.
  • Polímeros electroactivos para detección
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