اﻟﺑوﻟﯾﻣرات اﻹﺷﻌﺎﻋﯾﺔ ، أو EAPs ، ھﻲ ﺑوﻟﯾﻣرات ﺗظﮭر ﺗﻐﯾﯾرا ﻓﻲ اﻟﺣﺟم أو اﻟﺷﮐل ﻋﻧدﻣﺎ ﯾﺗم ﺗﺣﻔﯾزھﺎ ﺑواﺳطﺔ ﻣﺟﺎل ﮐﮭرﺑﺎﺋﻲ. التطبيقات الأكثر شيوعا لهذا النوع من المواد في المحركات وأجهزة الاستشعار. الخاصية المميزة النموذجية ل EAP هي أنها ستخضع إلى قدر كبير من التشوه مع الحفاظ على قوى كبيرة.

غالبية المحركات التاريخية مصنوعة من مواد كهرضغطية السيراميك. في حين أن هذه المواد قادرة على تحمل قوى كبيرة ، إلا أنها عادة لن تؤدي إلا إلى تشويه جزء من نسبة مئوية. في أواخر التسعينيات ، ثبت أن بعض وحدات EAP يمكن أن تظهر حتى سلالة 380٪ ، وهو أكثر بكثير من أي مشغل سيراميكي. واحدة من أكثر التطبيقات شيوعا ل EAPs هو في مجال الروبوتات في تطوير العضلات الاصطناعية. وهكذا ، غالبا ما يشار إلى بوليمر كهربي على أنه عضلة اصطناعية.

التاريخ
ظهر مجال EAPs في عام 1880 ، عندما صمم فيلهلم رونتغن تجربة اختبر فيها تأثير الحقل الكهروستاتيكي على الخواص الميكانيكية لشريط من المطاط الطبيعي. تم تثبيت الشريط المطاطي في أحد الأطراف وتم ربطه بكتلة في الطرف الآخر. ثم تم رش الشحنات الكهربائية على المطاط ، وقد لوحظ أن الطول تغير عن طريق عدة سنتيمترات. تابع البروفيسور ساكردوت على تجربة رونتجن عن طريق صياغة نظرية عن استجابة السلالة إلى حقل كهربائي مطبق في عام 1899. وفي عام 1925 تم اكتشاف أول بوليمر كهربي ضوئي (إلكترت). تم تشكيل الإلكتريت عن طريق الجمع بين شمع كارنوبا ، وروزين ، وشمع النحل ، ثم تبريد المحلول في حين أنه يخضع لتحيز كهربائي DC مطبق. ثم يتحول الخليط إلى مادة بوليمرية تظهر تأثير كهرضغطية.

وكانت البوليمرات التي تستجيب للظروف البيئية ، بخلاف التيار الكهربائي التطبيقي ، جزءًا كبيرًا من هذا المجال من الدراسة. في عام 1949 Katchalsky وآخرون. أثبتت أنه عندما يتم غمر خيوط الكولاجين في المحاليل الحمضية أو القلوية ، فإنها تستجيب مع تغير في الحجم. تم العثور على خيوط الكولاجين لتوسيع في حل الحمضية والعقد في حل القلوي. على الرغم من أن المنبهات الأخرى (مثل الأس الهيدروجيني) قد تم التحقيق فيها ، بسبب سهولة وفعالية التطبيق ، فقد تم تخصيص معظم الأبحاث لتطوير البوليمرات التي تستجيب للمنبهات الكهربائية من أجل محاكاة الأنظمة البيولوجية.

حدث الاختراق الرئيسي التالي في EAPs في أواخر 1960s. في عام 1969 أثبت كاواي أن فلوريد البولي فينيل (PVDF) يعرض تأثير كهرضغطية كبير. وقد أثار هذا الاهتمام البحثي في ​​تطوير أنظمة البوليمرات الأخرى التي من شأنها أن تظهر أثرا مماثلا. في عام 1977 تم اكتشاف أول بوليمرات موصلة للكهرباء بواسطة Hideki Shirakawa et al. أثبت شيراكاوا إلى جانب آلان ماكديارميد وآلان هيجر أن مادة البولي إيثيلين كانت موصلة للكهرباء ، وأنه من خلال تعاطيها مع بخار اليود ، يمكن أن تعزز الموصلية بمقدار 8 مرات. وهكذا كان السلوك قريب من المعدن. وبحلول أواخر الثمانينات من القرن العشرين ، ظهر أن عددًا من البوليمرات الأخرى تظهر تأثير كهرضغطية أو تم إثبات أنها موصلة.

في أوائل تسعينات القرن العشرين ، تم تطوير مركبات معدنية بوليمرية أيونية (IPMCs) وأظهرت أنها تظهر خواصًا كهربيًا أعلى بكثير من وحدات EAP السابقة. كانت الميزة الرئيسية للمراكز المتكاملة لتكنولوجيا المعلومات (IPMCs) أنها تمكنت من إظهار التنشيط (التشوه) بجهد منخفض يصل إلى 1 أو 2 فولت. هذه هي أوامر من حجم أقل من أي EAP السابقة. لم تكن طاقة التنشيط لهذه المواد أقل من ذلك بكثير فحسب ، بل كان يمكن أن تخضع أيضًا لتشوهات أكبر بكثير. تم إظهار IPMCs أن تظهر في أي مكان يصل إلى 380 ٪ سلالة ، وأوامر من حجم أكبر من EAPs المتقدمة سابقا.

في عام 1999 ، اقترح يوسف بار – كوهين مباراة Armwrestling من EAP Robotic Arm Against Human Challenge. كان هذا تحديًا تنافست فيه مجموعات البحث حول العالم لتصميم ذراع آلي مكونة من عضلات EAP التي يمكن أن تهزم الإنسان في مباراة مصارعة الذراع. تم عقد التحدي الأول في مؤتمر أجهزة ومشغلات البوليمرات الكهربائية في عام 2005. ومن المعالم الرئيسية الأخرى في هذا المجال أن أول جهاز تم تطويره تجاريا بما في ذلك EAPs كعضلة اصطناعية تم إنتاجه في عام 2002 من قبل Eamex في اليابان. كان هذا الجهاز سمكة قادرة على السباحة من تلقاء نفسها ، وتحريك ذيله باستخدام عضلة EAP. لكن التقدم في التنمية العملية لم يكن مرضيا.

طورت البحوث الممولة من DARPA في التسعينيات في شركة SRI International بقيادة Ron Pelrine بوليمرًا كهربيًا يستخدم بوليمرات سيليكون وأكريليك. تم نسج التكنولوجيا في شركة Artificial العضلات في عام 2003 ، مع بدء الإنتاج الصناعي في عام 2008. في عام 2010 ، أصبحت Artificial Artificial شركة تابعة لشركة Bayer MaterialScience.

أنواع
يمكن أن تحتوي EAP على عدة تكوينات ، ولكنها تنقسم عمومًا إلى فئتين رئيسيتين: العزل الكهربائي والأيون.

عازل
المواد العازلة EAPs هي المواد التي يحدث فيها التشغيل بسبب القوى الإلكتروستاتيكية بين قطبين كهربائيين يضغطان على البوليمر. يمكن للستومرات العازلة أن تكون ذات سلالات عالية جداً وهي في الأساس مكثف يغير السعة عندما يتم تطبيق فولطية عن طريق السماح للبوليمر بالضغط في السمك والتوسع في المنطقة بسبب المجال الكهربائي. عادة ما يتطلب هذا النوع من EAP جهد تشغيل كبير لإنتاج حقول كهربائية عالية (من مئات إلى آلاف فولت) ، ولكن استهلاك الطاقة الكهربائية منخفض للغاية. تتطلب وحدات EAP العازلة عدم وجود طاقة للحفاظ على المشغل في وضع معين. ومن الأمثلة على ذلك البوليمرات الإلكتروستاتية واللاستومرات العازلة.

البوليمرات الكهروحرارية
البوليمرات الكهربية هي عبارة عن مجموعة من البوليمرات القطبية المتبلرة التي تعمل أيضًا بالعازل الكهربائي الشفاف ، مما يعني أنها تحافظ على استقطاب كهربائي دائم يمكن عكسه أو تبديله في مجال كهربائي خارجي. تستخدم البوليمرات كهرومغناطيسية مثل فلوريد البولي فينيل (PVDF) في محولات صوتية ومشغلات كهروميكانيكية بسبب الاستجابة الكهرضغطية الكامنة ، وكمحسسات حرارة بسبب استجابة كهرومغناطيسية ملازمة لها.

البوليمرات الكسب غير المشروع الإلكترون
تتكون بوليمرات الكسب غير المشروع الكهربائي من سلاسل العمود الفقري مرنة مع سلاسل جانبية متفرعة. سلاسل جانبية على البوليمرات الأساسية المجاورة عبر وصلة وتشكيل وحدات الكريستال. يمكن للوحدات الأساسية للبلورات الجانبية والبلورات الجانبية أن تشكل مونومرات مستقطبة ، تحتوي على ذرات ذات شحنة جزئية وتولد لحظات ثنائية القطب ، كما هو موضح في الشكل 2. عند تطبيق حقل كهربائي ، يتم تطبيق قوة على كل شحنة جزئية وتؤدي إلى دوران كامل وحدة البوليمر. هذا التناوب يسبب إجهاد كهربائي وتشوه للبوليمر.

البوليمرات السائلة البلورية
تحتوي البوليمرات المتبلرة السائلة الرئيسية السلسلة على مجموعات مولدة مرتبطة ببعضها البعض عن طريق فاصل مرن. تشكل المركبات الوراثية الموجودة في العمود الفقري بنية نصف الجسم مما يؤدي إلى تبني البوليمر نفسه لتشكيل متوافق مع بنية الميزوسفور. إن التوصيل المباشر للنظام البلوري السائل مع تشكّل البوليمر قد أعطى سلسلة كبيرة من الإهتزازات البلورية السائلة السلسلة الرئيسية. ويؤدي توليف اللدائن المرنة ذات التوجه العالي إلى إجراء تشغيل حراري كبير على طول اتجاه سلسلة البوليمر مع اختلاف درجة الحرارة مما يؤدي إلى خصائص ميكانيكية فريدة وتطبيقات محتملة كمشغلات ميكانيكية.

أيوني
الأيونات الأيونية (IAP) ، التي يحدث فيها التشغيل بسبب نزوح الأيونات داخل البوليمر. هناك حاجة لبضعة فولت فقط للتشغيل ، ولكن التدفق الأيوني يتضمن قوة كهربائية أكبر مطلوبة للتشغيل ، والطاقة مطلوبة للحفاظ على المحرك في وضع معين. من الأمثلة على EAPS الأيونية هي البوليمرات الموصلة ، مركبات البوليمر الأيونية (IPMCs) ، والمواد الهلامية المتجاوبة. هناك مثال آخر هو مشغل هلام بكي ، وهو عبارة عن طبقة مدعومة من البوليمر من مادة متعددة الإلكتروليتية تتكون من سائل أيوني محصور بين طبقتين من القطب الكهربائي تتكون من هلام من السائل الأيوني المحتوي على أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار. يأتي الاسم من تشابه الهلام مع الورق الذي يمكن تصنيعه عن طريق ترشيح الأنابيب النانوية الكربونية ، ما يطلق عليه ورق البوكي.

سائل الكتروريولوجي
تغير سوائل الإلكتروريولوجي لزوجة المحلول باستخدام مجال كهربائي. السائل هو تعليق للبوليمرات في سائل عازل ثابت منخفض. مع تطبيق حقل كهربائي كبير تزداد لزوجة التعليق. وتشمل التطبيقات المحتملة لهذه السوائل امتصاص الصدمات ، وحوامل المحرك والمخمدات الصوتية.

أيوني بوليمر معدني مركب
تتكون مركبات أيون – بوليمر المعدني من غشاء رقيق متشمم مع أقطاب معدنية نبيلة مطلية على سطحه. كما أن لديها الكاتيونات لموازنة الشحنة من الأنيونات المثبتة على العمود الفقري البوليمر. وهي مشغلات نشطة للغاية تظهر تشوهًا عاليًا في الجهد المنخفض المطبق وتظهر مقاومة منخفضة. تعمل أيونات البوليمر المعدن الأيونية من خلال التجاذب الكهربائي بين الأيونات المضادة الكاتيونية وكاثود المجال الكهربائي التطبيقي ، ويظهر التمثيل التخطيطي في الشكل 3. تظهر هذه الأنواع من البوليمرات أعظم وعد للاستخدامات المحاكاة الحيوية مثل ألياف الكولاجين بشكل أساسي تتألف من البوليمرات الأيونية الطبيعية المشحونة. يستخدم Nafion و Flemion بشكل شائع مركبات البوليمر المعدنية الأيونية.

المواد الهلامية استجابة المنبه
إن المواد الهلامية المستقبلة (الهلاميات المائية ، عندما يكون عامل التورم عبارة عن محلول مائي) هي نوع خاص من شبكات البوليمر القابلة للسحب مع سلوك انتقال طوري للحجم. تغير هذه المواد بشكل عكسي حجمها ، وخواصها البصرية والميكانيكية وغيرها من خلال تعديلات صغيرة جدا في بعض المواد الفيزيائية (مثل الحقل الكهربائي ، الضوء ، درجة الحرارة) أو المحفزات الكيميائية (تركيزات). يحدث تغير حجم هذه المواد عن طريق التورم / التقلص ويتم الاعتماد على الانتشار. توفر المواد الهلامية أكبر تغيير في حجم المواد الصلبة. جنبا إلى جنب مع توافق ممتاز مع تقنيات تصنيع الصغرى ، خاصة الهلاميات المائية تستجيب للمنبه من الاهتمام المتزايد بقوة لأنظمة microsystems مع أجهزة الاستشعار والمحركات. المجالات الحالية للبحث والتطبيق هي أنظمة الاستشعار الكيميائية ، microfluidics وأنظمة التصوير متعدد الوسائط.

مقارنة بين العوازل والأيونية EAPs
البوليمرات العازلة قادرة على حمل إزاحتها المستحثة أثناء تنشيطها تحت جهد التيار المستمر. هذا يسمح للبوليمرات العازلة للنظر في التطبيقات الآلية. هذه الأنواع من المواد لديها أيضا كثافة طاقة ميكانيكية عالية ويمكن تشغيلها في الهواء دون انخفاض كبير في الأداء. ومع ذلك ، تتطلب البوليمرات العازلة حقول تنشيط عالية جدًا (> 10 فولت / ميكرومتر) قريبة من مستوى الأعطال.

من ناحية أخرى ، يتطلب تنشيط البوليمرات الأيونية 1-2 فولت فقط. ومع ذلك ، فإنها تحتاج إلى الحفاظ على البلل ، على الرغم من أن بعض البوليمرات قد تم تطويرها كمنشطات مغلفة ذاتياً تسمح باستخدامها في البيئات الجافة. تحتوي البوليمرات الأيونية أيضًا على اقتران كهروميكانيكي منخفض. ولكنها مثالية للأجهزة المحاكاة البيولوجية.

وصف
في حين أن هناك العديد من الطرق المختلفة التي يمكن أن تتميز بها البوليمرات الكهربائية ، إلا أنه سيتم التعامل مع ثلاثة فقط هنا: منحنى الإجهاد والانفعال ، والتحليل الحراري الميكانيكي الديناميكي ، والتحليل الحراري للعزل.

منحنى الإجهاد والانفعال
توفر منحنيات إجهاد الإجهاد معلومات حول الخواص الميكانيكية للبوليمر مثل تقشعر ومرونة وقوة إنتاج البوليمر. يتم ذلك عن طريق توفير قوة للبوليمر بمعدل موحد وقياس التشوه الناتج. ويرد مثال على هذا التشوه في الشكل 4. هذه التقنية مفيدة لتحديد نوع المادة (هشة ، صعبة ، الخ) ، لكنها تقنية مدمرة حيث يتم زيادة الضغط حتى كسر البوليمر.

التحليل الحراري الميكانيكي الديناميكي (DMTA)
كل من التحليل الميكانيكي الديناميكي هو تقنية غير مدمرة مفيدة في فهم آلية التشوه على المستوى الجزيئي. في DMTA يتم تطبيق إجهاد جيبية على البوليمر ، وبناءً على تشوه البوليمر ، يتم الحصول على خصائص المرونة والتخميد (على افتراض أن البوليمر مذبذب متناسق متناسق). تأخذ المواد المرنة الطاقة الميكانيكية للتوتر وتحويلها إلى طاقة محتملة يمكن استردادها لاحقًا. سوف يستخدم الزنبرك المثالي جميع الطاقة الكامنة لاستعادة شكله الأصلي (بدون تخميد) ، في حين أن السائل سوف يستخدم كل الطاقة الكامنة للتدفق ، ولن يعود أبدًا إلى موضعه الأصلي أو شكله (التخميد العالي). سيظهر البوليمر viscoeleastic مزيج من كلا النوعين من السلوك.

التحليل الحراري العازلة (DETA)
DETA مشابه لـ DMTA ، لكن بدلاً من قوة ميكانيكية بديلة ، يتم تطبيق مجال كهربائي بديل. يمكن أن يؤدي الحقل التطبيقي إلى استقطاب العينة ، وإذا كان البوليمر يحتوي على مجموعات لديها ثنائيات قطب دائمة (كما في الشكل 2) ، فسوف تتم محاذاتها مع الحقل الكهربائي. يمكن قياس السماحية من التغير في السعة وتمت تسويتها إلى مكونات تخزين وخسارة عازلة. يمكن أيضًا قياس مجال الإزاحة الكهربائية باتباع التيار. بمجرد إزالة الحقل ، سوف يرتاح ثنائي القطب مرة أخرى إلى اتجاه عشوائي.

تطبيقات
يمكن تصنيع مواد EAP بسهولة إلى أشكال متعددة بفضل سهولة معالجة العديد من المواد البوليمرية ، مما يجعلها مواد متعددة الاستخدام للغاية. أحد التطبيقات المحتملة لـ EAPs هو إمكانية دمجها في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) لإنتاج المحركات الذكية.

عضلات اصطناعية
كإتجاه البحث العملي الأكثر احتمالاً ، تم استخدام EAPs في العضلات الاصطناعية. إن قدرتها على محاكاة عمل العضلات البيولوجية ذات الصلابة العالية للكسر ، وإجهاد الشد الكبير ، والتثبيط الاهتزازي المتأصل يلفت انتباه العلماء في هذا المجال.

يعرض اللمس
في السنوات الأخيرة ، ظهرت “البوليمرات الكهربائية النشطة لشاشات برايل القابلة للتحديث” لمساعدة ضعاف البصر في القراءة السريعة والاتصال بمساعدة الكمبيوتر. يعتمد هذا المفهوم على استخدام مشغل EAP تم تكوينه في نموذج صفيف. صفوف من الأقطاب الكهربائية على جانب واحد من فيلم EAP والأعمدة على الآخر تنشط العناصر الفردية في الصفيف. يتم تثبيت كل عنصر بنقطة برايل وخفضه من خلال تطبيق جهد عبر سماكة العنصر المحدد ، مما يؤدي إلى تقليل السماكة المحلية. تحت سيطرة الكمبيوتر ، سيتم تفعيل النقاط لإنشاء أنماط اللمس من الارتفاعات والانخفاضات التي تمثل المعلومات المراد قراءتها.

يتم عرض الانطباعات البصرية واللمسية لسطح افتراضي بواسطة شاشة اللمس عالية الدقة ، ما يسمى “الجلد الاصطناعي” (الشكل 6). تتكون هذه الأجهزة المتجانسة من مجموعة من آلاف من الوسائط المتعددة الوسائط (وحدات البكسل المشغلة) المستندة إلى الهلاميات المائية المستجيبة للمنبهات. يستطيع كل مُحَكِّل تغيير انتقاله ، وارتفاعه وناعمته بشكل فردي. إلى جانب استخدامهم المحتمل كمعروضات رسومية لمثل هذه الشاشات ذات الإعاقات البصرية ، فهي مثيرة للاهتمام كمفاتيح قابلة للبرمجة من لوحات اللمس ووحدات التحكم.

على microfluidics
مواد EAP لديها إمكانات هائلة لعلم الموائع الدقيقة مثل أنظمة توصيل الدواء ، وأجهزة ميكروفلويديك و lab-on-a-chip. تعتمد تقنية المنصات الميكروفلويدية الأولى في الأدب على المواد الهلامية المستجيبة للمحفزات. لتفادي التحليل الكهربي للأجهزة التي تعتمد على الماء الهيدروجيلي القائم على هيدروجيل تعتمد بشكل أساسي على البوليمرات المستجيبة للحرارة مع خصائص درجة حرارة المحاليل المنخفضة (LCST) ، والتي يتم التحكم بها عن طريق واجهة كهربائية كهربية. ومن المعروف نوعين من micropumps ، micropump وانتشار micropump الإزاحة. تظهر الميكروفيلات القائمة على الهلاميات المائية المستجيبة للمحفزات بعض الخصائص المفيدة مثل تحمل الجسيمات ، وعدم التسرب ومقاومة الضغط المتميزة. إلى جانب هذه المكونات القياسية ميكروفلويديك ، توفر منصة هيدروجيل أيضا أجهزة استشعار كيميائية وطبقة جديدة من مكونات ميكروفلويديك ، الترانزستورات الكيميائية (يشار إليها أيضا باسم صمامات كيميائية). هذه الأجهزة تنظم تدفق السائل إذا تم التوصل إلى عتبة تركيز مادة كيميائية معينة. تشكل الترانزستورات الكيميائية أساس الدوائر المتكاملة المميعة الميكروية. تقوم “الكيماويات الممغنطة” بمعالجة المعلومات الكيميائية بشكل حصري ، وهي تعمل بالطاقة الذاتية ، وتعمل تلقائيًا وتكون قادرة على التكامل على نطاق واسع.

منصة أخرى ميكروفلويديك تقوم على المواد الأيونية. يمكن أن توفر المضخات المصنوعة من تلك المواد تشغيلًا منخفضًا للجهد (البطارية) وتوقيعًا ضوئيًا منخفضًا للغاية وكفاءة عالية للنظام والتحكم الدقيق في معدل التدفق.

تقنية أخرى يمكن أن تستفيد من الخصائص الفريدة لمشغلات EAP هي الأغشية البصرية. بسبب معاملها المنخفض ، المعاوقة الميكانيكية للمشغلات ، فهي مطابقة بشكل جيد لمواد الأغشية البصرية المشتركة. كما أن مشغل EAP واحد قادر على توليد عمليات نزوح تتراوح بين ميكرومتر وسنتيمتر. لهذا السبب ، يمكن استخدام هذه المواد لتصحيح شكل ثابت وتثبيط الارتعاش. ويمكن استخدام هذه المحركات أيضًا لتصحيح الانحرافات البصرية بسبب التداخل الجوي.

بما أن هذه المواد تُظهر طابعًا كهربيًا ممتازًا ، فإن مواد EAP تُظهِر إمكانات في أبحاث الروبوتات الحيوية ، وأجهزة استشعار الإجهاد ومجال الصوتيات ، الأمر الذي سيجعل برامج EAP تصبح موضوعًا للدراسة أكثر جاذبية في المستقبل القريب. وقد تم استخدامها لمختلف المحركات مثل عضلات الوجه وعضلات الذراع في الروبوتات الروبوت.

اتجاهات المستقبل
مجال EAPs بعيد كل البعد عن النضج ، مما يترك العديد من القضايا التي لا تزال بحاجة إلى العمل. يجب تحسين أداء وثبات EAP على المدى الطويل من خلال تصميم سطح غير منفذ للماء. هذا سيمنع تبخر الماء الوارد في EAP ، ويقلل أيضًا من احتمال فقدان الأيونات المضادة الإيجابية عند تشغيل EAP المغمورة في بيئة مائية. يجب استكشاف التوصيلية السطحية المحسنة باستخدام طرق لإنتاج سطح موصل خالٍ من العيوب. ويمكن أن يتم ذلك باستخدام ترسيب بأبخرة معدنية أو طرق منشط أخرى. قد يكون من الممكن أيضًا استخدام البوليمرات الموصلة لتشكيل طبقة موصلة سميكة. يكون EAP المقاوم للحرارة مرغوبًا للسماح بالتشغيل عند الفولتية الأعلى دون الإضرار بالبنية الداخلية لـ EAP نظرًا لتوليد الحرارة في مركب EAP. كما سيكون من المفيد تطوير وحدات EAP في تكوينات مختلفة (مثل الألياف وحزم الألياف) ، من أجل زيادة نطاق أنماط الحركة الممكنة.