Principio de funcionamiento de actuadores de elastómero dieléctrico. Una película elastomérica está recubierta por ambos lados con electrodos. Los electrodos están conectados a un circuito. Al aplicar un voltaje actúa la presión electrostática . Debido a la compresión mecánica, la película de elastómero se contrae en la dirección del espesor y se expande en las direcciones del plano de la película. La película de elastómero vuelve a su posición original cuando se cortocircuita.
Los elastómeros dieléctricos ( DE ) son sistemas de materiales inteligentes que producen grandes tensiones y son prometedores para la robótica blanda , el músculo artificial , etc. Pertenecen al grupo de los polímeros electroactivos (EAP). Los actuadores DE (DEA) transforman la energía eléctrica en trabajo mecánico y viceversa. Por tanto, pueden utilizarse como actuadores, sensores y dispositivos de recolección de energía. Tienen una alta densidad de energía elástica y una respuesta rápida debido a que son livianos, altamente elásticos y operan bajo el principio electrostático. Han sido investigados desde finales de los años 1990. Existen muchas aplicaciones prototipo. Cada año se celebran conferencias en Estados Unidos [1] y Europa. [2]
Principios de trabajo
Un DEA es un condensador compatible (ver imagen), donde se intercala una película de elastómero pasivo entre dos electrodos compatibles . Cuando se aplica una tensión , la presión electrostática que surge de las fuerzas de Coulomb actúa entre los electrodos. Los electrodos comprimen la película de elastómero. La presión electromecánica equivalente es el doble de la presión electrostática y viene dada por:
donde es la permitividad del vacío , es la constante dieléctrica del polímero y es el espesor de la película de elastómero en el estado actual (durante la deformación). Por lo general, las deformaciones de DEA son del orden del 10 al 35 %, los valores máximos alcanzan el 300 % (el elastómero acrílico VHB 4910, disponible comercialmente en 3M , que también soporta una alta densidad de energía elástica y una alta resistencia a la rotura eléctrica ).
Iónico
Reemplazar los electrodos con hidrogeles blandos permite que el transporte iónico reemplace el transporte de electrones. Los hidrogeles iónicos acuosos pueden generar potenciales de múltiples kilovoltios, a pesar del inicio de la electrólisis por debajo de 1,5 V. [3] [4]
La diferencia entre la capacitancia de la doble capa y el dieléctrico conduce a un potencial a través del dieléctrico que puede ser millones de veces mayor que el de la doble capa. Se pueden alcanzar potenciales en el rango de kilovoltios sin degradar electroquímicamente el hidrogel. [3] [4]
Las deformaciones están bien controladas, son reversibles y pueden funcionar con alta frecuencia. Los dispositivos resultantes pueden ser perfectamente transparentes. Es posible el accionamiento de alta frecuencia. Las velocidades de conmutación están limitadas únicamente por la inercia mecánica. La rigidez del hidrogel puede ser miles de veces menor que la del dieléctrico, lo que permite el accionamiento sin restricciones mecánicas en un rango de casi el 100% a velocidades de milisegundos. Pueden ser biocompatibles. [3] [4]
Los problemas restantes incluyen el secado de los hidrogeles, la acumulación de iones, la histéresis y los cortocircuitos eléctricos. [3] [4]
Los primeros experimentos en la investigación de dispositivos semiconductores se basaron en conductores iónicos para investigar la modulación de campo de los potenciales de contacto en el silicio y habilitar los primeros amplificadores de estado sólido. El trabajo realizado desde el año 2000 ha establecido la utilidad de los electrodos de compuerta de electrolito. Los geles iónicos también pueden servir como elementos de transistores de grafeno estirables y de alto rendimiento. [4]
Materiales
Las películas de polvo de carbón o grasa cargadas con negro de carbón fueron las primeras opciones como electrodos para los DEA. Dichos materiales tienen poca confiabilidad y no están disponibles con técnicas de fabricación establecidas. Se pueden lograr características mejoradas con metal líquido, láminas de grafeno , recubrimientos de nanotubos de carbono, capas de nanoclusters metálicos implantadas en la superficie y películas metálicas corrugadas o estampadas. [4] [5]
Estas opciones ofrecen propiedades mecánicas, resistencias de lámina, tiempos de conmutación y una fácil integración limitados. Las siliconas y los elastómeros acrílicos son otras alternativas.
Los requisitos para un material elastómero son:
El material debe tener una rigidez baja (especialmente cuando se requieren grandes deformaciones);
El preestirado mecánico de la película de elastómero ofrece la posibilidad de mejorar la resistencia a la rotura eléctrica. Otras razones para el preestiramiento incluyen:
El espesor de la película disminuye, requiriendo un voltaje menor para obtener la misma presión electrostática;
Evitar tensiones de compresión en las direcciones del plano de la película.
Los elastómeros muestran un comportamiento viscohiperelástico. Para el cálculo de dichos actuadores se requieren modelos que describan grandes deformaciones y viscoelasticidad .
Los materiales utilizados en la investigación incluyen polvo de grafito, mezclas de aceite de silicona/grafito y electrodos de oro. El electrodo debe ser conductor y compatible. El cumplimiento es importante para que el elastómero no se limite mecánicamente cuando se alargue. [4]
Se pueden laminar películas de hidrogeles de poliacrilamida formadas con agua salada sobre las superficies dieléctricas, reemplazando a los electrodos. [4]
Los DE basados en silicona ( PDMS ) y caucho natural son campos de investigación prometedores. [6] Propiedades como tiempos de respuesta rápidos y eficiencia son superiores al utilizar DE a base de caucho natural en comparación con los DE a base de VHB ( elastómero acrílico ) para deformaciones inferiores al 15 %. [7]
Inestabilidades en elastómeros dieléctricos.
Los actuadores de elastómero dieléctrico deben diseñarse de manera que eviten el fenómeno de ruptura dieléctrica en todo su curso de movimiento. Además de la ruptura dieléctrica, los DEA son susceptibles a otro modo de falla, denominado inestabilidad electromecánica, que surge debido a la interacción no lineal entre las fuerzas restauradoras electrostáticas y mecánicas. En varios casos, la inestabilidad electromecánica precede a la ruptura dieléctrica. Los parámetros de inestabilidad (voltaje crítico y el estiramiento máximo correspondiente) dependen de varios factores, como el nivel de preestiramiento, la temperatura y la permitividad dependiente de la deformación. Además, también dependen de la forma de onda de voltaje utilizada para accionar el actuador. [8]
Configuraciones
Las configuraciones incluyen:
Actuadores enmarcados/en el plano: Un actuador enmarcado o en el plano es una película elastomérica recubierta/impresa con dos electrodos. Normalmente se monta un marco o estructura de soporte alrededor de la película. Algunos ejemplos son círculos en expansión y planos (fase única y múltiple).
Actuadores cilíndricos/de rodillo: las películas de elastómero recubiertas se enrollan alrededor de un eje. Por activación, aparecen una fuerza y un alargamiento en la dirección axial. Los actuadores pueden enrollarse alrededor de un resorte de compresión o sin núcleo. Las aplicaciones incluyen músculos artificiales ( prótesis ), minirobots y microrobots y válvulas.
Actuadores de diafragma: un actuador de diafragma se fabrica como una construcción plana que luego se desvía en el eje z para producir un movimiento fuera del plano.
Actuadores en forma de carcasa: las películas planas de elastómero se recubren en lugares específicos en forma de segmentos de electrodos. Con una activación bien dirigida, las láminas adoptan formas tridimensionales complejas. Se pueden utilizar ejemplos para propulsar vehículos a través del aire o el agua, por ejemplo, para dirigibles.
Apilar actuadores: el apilamiento de actuadores planos puede aumentar la deformación. Los actuadores que se acortan al activarse son buenos candidatos.
Actuadores de modo de espesor: la fuerza y la carrera se mueven en la dirección z (fuera del plano). Los actuadores del modo de espesor suelen ser una película plana que puede apilar capas para aumentar el desplazamiento.
Actuadores de flexión: el accionamiento en el plano del actuador basado en elastómero dieléctrico (DE) se convierte en un accionamiento fuera del plano, como doblar o plegar, utilizando una configuración unimorfa en la que una o varias capas de láminas DE se apilan encima de una capa de inactivos. sustrato. [9]
Actuadores de globo: el elastómero plano se une a una cámara de aire y se infla con un volumen constante de aire, luego la rigidez del elastómero se puede variar aplicando una carga eléctrica; dando por tanto como resultado un abombamiento controlado por voltaje del globo elastomérico. [10]
Aplicaciones
Los elastómeros dieléctricos ofrecen múltiples aplicaciones potenciales con el potencial de reemplazar muchos actuadores electromagnéticos, neumáticos y piezoactuadores. Una lista de posibles aplicaciones incluye:
Retroalimentación háptica
Zapatillas
válvulas
Robótica
Estructura activa inspirada en el origami [9]
Prótesis
Generación de energía
Control Activo de Vibraciones de Estructuras
Posicionadores ópticos como enfoque automático, zoom y estabilización de imagen.
Sensación de fuerza y presión.
Pantallas Braille activas
Altavoces
Superficies deformables para óptica y aeroespacial
Recolección de energía
Ventanas con cancelación de ruido [4]
Interfaces táctiles montadas en pantalla [4]
Óptica adaptativa [4]
Referencias
^ "Detalle de la Conferencia sobre Actuadores y Dispositivos de Polímeros Electroactivos (EAPAD) XV". Spie.org. 14 de marzo de 2013 . Consultado el 1 de diciembre de 2013 .( Se requiere registro )
^ Liu, Yang; Gao, Meng; Mei, Shengfu; Han, Yanting; Liu, Jing (2013). "Electrodos de metal líquido ultracompatibles con capacidad de autorreparación en el plano para actuadores de elastómero dieléctrico". Letras de Física Aplicada . 103 (6): 064101. Código bibliográfico : 2013ApPhL.103f4101L. doi : 10.1063/1.4817977.
^ Madsen, Frederikke B.; Daugaard, Anders E.; Hvilsted, Søren; Skov, Anne L. (1 de marzo de 2016). "El estado actual de los transductores de elastómero dieléctrico a base de silicona" (PDF) . Comunicaciones rápidas macromoleculares . 37 (5): 378–413. doi :10.1002/marc.201500576. ISSN 1521-3927. PMID 26773231.
^ Koh, SJA; Keplinger, C.; Iluminado.; Bauer, S.; Suo, Z. (1 de febrero de 2011). "Generadores de elastómero dieléctrico: cuánta energía se puede convertir # x003F;". Transacciones IEEE/ASME sobre mecatrónica . 16 (1): 33–41. doi :10.1109/TMECH.2010.2089635. ISSN 1083-4435. S2CID 11582916.
^ Arora, Nitesh; Kumar, Pramod; Joglekar, MM (2018). "Una forma de onda de voltaje modulada para mejorar el rango de recorrido de los actuadores de elastómero dieléctrico". Revista de Mecánica Aplicada . 85 (11): 111009. Código bibliográfico : 2018JAM....85k1009A. doi : 10.1115/1.4041039. S2CID 116758334.
^ ab Ahmed, S.; Ounaies, Z .; Frecker, M. (2014). "Investigar el rendimiento y las propiedades de los actuadores de elastómeros dieléctricos como medio potencial para accionar estructuras de origami". Materiales y Estructuras Inteligentes . 23 (9): 094003. Código bibliográfico : 2014SMaS...23i4003A. doi :10.1088/0964-1726/23/9/094003. S2CID 109258827.
^ Sharma, Atul Kumar; Arora, Nitesh; Joglekar, MM (2018). "Inestabilidad de tracción dinámica de CC de un globo de elastómero dieléctrico: un enfoque basado en la energía". Actas de la Royal Society A: Ciencias Matemáticas, Físicas y de Ingeniería . 474 (2211): 20170900. Código bibliográfico : 2018RSPSA.47470900S. doi :10.1098/rspa.2017.0900. PMC 5897764 . PMID 29662346.
Otras lecturas
Pelrine, R.; Kornbluh, R.; Pei, Q.; José, J. (2000). "Elastómeros accionados eléctricamente de alta velocidad con deformación superior al 100%". Ciencia . 287 (5454): 836–839. Código bibliográfico : 2000Sci...287..836P. doi : 10.1126/ciencia.287.5454.836. PMID 10657293.
Carpio; De Rossi; Kornbluh; Pelrina; Sommer-Larsen (2008). "Elastómeros dieléctricos como transductores electromecánicos: fundamentos, materiales, dispositivos, modelos y aplicaciones de una tecnología emergente de polímeros electroactivos". Elsevier . {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
enlaces externos
Programa de Materiales y Estructuras Inteligentes (EAP/AFC) en Empa
Red científica europea de músculos artificiales
EuroEAP – Conferencia internacional sobre transductores de polímeros electromecánicamente activos (EAP) y músculos artificiales
Actuadores de polímeros electroactivos en todo el mundo * Webhub: compendio de enlaces de Yoseph Bar-Cohen en JPL
Loverich, JJ; Kanno, I.; Kotera, H. (2006). "Conceptos para una nueva clase de microbombas totalmente poliméricas". Laboratorio en un chip . 6 (9): 1147-1154. doi :10.1039/b605525g. PMID 16929393.
