พอลิเมอร์ที่ไวต่อไฟฟ้า ( EAP ) คือพอลิเมอร์ที่แสดงการเปลี่ยนแปลงขนาดหรือรูปร่างเมื่อถูกกระตุ้นด้วยสนามไฟฟ้าการใช้งานทั่วไปของวัสดุประเภทนี้คือในแอคทูเอเตอร์ [ ^{1 ] และ}เซนเซอร์[ ^{2 ] [ 3 ] คุณสมบัติ}ทั่วไปของ EAP คือจะเกิดการเสียรูปจำนวนมากในขณะที่ทนต่อแรง ขนาด ใหญ่

แอคทูเอเตอร์ทางประวัติศาสตร์ส่วนใหญ่ทำจาก วัสดุ เซรามิกเพียโซอิเล็กทริกแม้ว่าวัสดุเหล่านี้จะสามารถทนต่อแรงได้มาก แต่โดยทั่วไปแล้วจะเสียรูปเพียงเศษเสี้ยวเปอร์เซ็นต์เท่านั้น ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 ได้มีการพิสูจน์แล้วว่า EAP บางชนิดสามารถแสดงความเครียด ได้ถึง 380% ซึ่งมากกว่าแอคทูเอเตอร์เซรามิกมาก^{[ 1 ]}หนึ่งในการใช้งานที่พบบ่อยที่สุดสำหรับ EAP คือในด้านหุ่นยนต์ในการพัฒนากล้ามเนื้อเทียม ดังนั้นโพลิเมอร์ที่ไวต่อไฟฟ้าจึงมักถูกเรียกว่า กล้าม เนื้อ เทียม

สาขา EAP ปรากฏขึ้นในปี 1880 เมื่อWilhelm Röntgenออกแบบการทดลองเพื่อทดสอบผลของสนามไฟฟ้าสถิตต่อคุณสมบัติทางกลของแถบยางธรรมชาติ^{[ 4 ]}แถบยางถูกตรึงไว้ที่ปลายด้านหนึ่งและติดกับมวล ที่ปลาย อีกด้านหนึ่ง จากนั้นจึงพ่นประจุไฟฟ้าลงบนยาง และสังเกตว่าความยาวเปลี่ยนแปลงไป ในปี 1925 ได้มีการค้นพบพอ ลิเมอร์ เพียโซอิเล็กทริก ชนิดแรก ( Electret ) Electret ถูกสร้างขึ้นโดยการรวมขี้ผึ้งคาร์นูบาเรซินและขี้ผึ้งแล้วทำให้สารละลายเย็นลงในขณะที่ได้รับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง ส่วนผสมจะแข็งตัวกลายเป็นวัสดุพอลิเมอร์ที่แสดงปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก

พอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่อสภาวะแวดล้อมอื่นนอกเหนือจากกระแสไฟฟ้า ที่ใช้ ก็เป็นส่วนสำคัญของการศึกษาในด้านนี้เช่นกัน ในปี 1949 Katchalsky และคณะได้แสดงให้เห็นว่าเมื่อ เส้นใย คอลลา เจน ถูกจุ่มลงใน สารละลาย กรดหรือด่าง เส้นใยเหล่านั้นจะตอบสนองด้วยการเปลี่ยนแปลงปริมาตร^{[ 5 ]}พบว่าเส้นใยคอลลาเจนจะขยายตัวใน สารละลาย กรดและหดตัวใน สารละลาย ด่างแม้ว่าจะมีการศึกษาเกี่ยวกับสิ่งกระตุ้นอื่นๆ (เช่นpH ) แต่เนื่องจากความง่ายและความเหมาะสมในทางปฏิบัติ งานวิจัยส่วนใหญ่จึงมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาพอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นทางไฟฟ้าเพื่อเลียนแบบระบบชีวภาพ

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญถัดไปใน EAP เกิดขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ในปี 1969 Kawai ได้แสดงให้เห็นว่าโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) แสดงปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกขนาดใหญ่^{[ 5 ]}สิ่งนี้กระตุ้นความสนใจในการวิจัยเพื่อพัฒนาพอลิเมอร์อื่นๆ ที่จะแสดงผลในลักษณะเดียวกัน ในปี 1977 ได้มีการค้นพบ พอลิเมอร์นำ ไฟฟ้าชนิดแรก โดยHideki Shirakawa และคณะ^{[ 6 ]} Shirakawa ร่วมกับAlan MacDiarmidและAlan Heegerได้แสดงให้เห็นว่าโพลีอะเซทิลีนนำไฟฟ้าได้ และโดยการเติมไอโอดีน ลงไป พวกเขาสามารถเพิ่มการนำไฟฟ้า ได้ ถึง 8 อันดับความแรง ดังนั้นการนำไฟฟ้าจึงใกล้เคียงกับโลหะ ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 มีการแสดงให้เห็นว่าพอลิเมอร์อื่นๆ อีกจำนวนมากแสดงปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกหรือแสดงให้เห็นว่านำไฟฟ้าได้

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 ได้มีการพัฒนา วัสดุคอมโพสิตไอออนิกพอลิเมอร์-โลหะ (IPMCs) และแสดงให้เห็นว่ามีคุณสมบัติทางไฟฟ้าแอคทีฟที่เหนือกว่า EAP รุ่นก่อนๆ มาก ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ IPMCs คือสามารถแสดงการกระตุ้น (การเปลี่ยนรูป) ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำเพียง 1 หรือ 2 โวลต์ [ ^{5 ] ซึ่ง}น้อยกว่า EAP รุ่นก่อนๆ หลายเท่า ไม่เพียงแต่พลังงานกระตุ้นสำหรับวัสดุเหล่านี้จะต่ำกว่ามากเท่านั้น แต่ยังสามารถเกิดการเปลี่ยนรูปที่ใหญ่กว่ามากได้อีกด้วย IPMCs แสดงให้เห็นว่าสามารถเกิดความเครียดได้มากถึง 380% ซึ่งมากกว่า EAP ที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้หลายเท่า^{[ 1 ]}

ในปี 1999 โยเซฟ บาร์-โคเฮนได้เสนอ การ แข่งขันงัดข้อระหว่างแขนหุ่นยนต์ EAP กับมนุษย์^{[ 5 ]}นี่เป็นความท้าทายที่กลุ่มวิจัยทั่วโลกแข่งขันกันออกแบบแขนหุ่นยนต์ที่ประกอบด้วยกล้ามเนื้อ EAP ที่สามารถเอาชนะมนุษย์ใน การแข่งขัน งัดข้อได้ความท้าทายครั้งแรกจัดขึ้นที่การประชุม Electroactive Polymer Actuators and Devices ในปี 2005 ^{[ 5 ]}อีกหนึ่งความสำเร็จครั้งสำคัญของสาขานี้คือ อุปกรณ์ที่พัฒนาเชิงพาณิชย์ชิ้นแรกที่ใช้ EAP เป็นกล้ามเนื้อเทียมถูกผลิตขึ้นในปี 2002 โดย Eamex ในประเทศญี่ปุ่น^{[ 1 ]}อุปกรณ์นี้เป็นปลาที่สามารถว่ายน้ำได้ด้วยตัวเอง โดยขยับหางโดยใช้กล้ามเนื้อ EAP แต่ความคืบหน้าในการพัฒนาเชิงปฏิบัติยังไม่เป็นที่น่าพอใจ^{[ 7 ]}

งานวิจัยที่ได้รับทุนสนับสนุน จาก DARPAในช่วงทศวรรษ 1990 ที่SRI Internationalและนำโดย Ron Pelrine ได้พัฒนาโพลิเมอร์ที่ไวต่อไฟฟ้าโดยใช้โพลิเมอร์ซิลิโคนและอะคริลิค เทคโนโลยีนี้ได้ถูกแยกออกมาตั้งเป็นบริษัทArtificial Muscleในปี 2003 โดยเริ่มการผลิตเชิงอุตสาหกรรมในปี 2008 ^{[ 8 ]}ในปี 2010 Artificial Muscle ได้กลายเป็นบริษัทในเครือของBayer MaterialScience ^{[ 9 ]}

อุปกรณ์ป้องกันไฟรั่ว (EAP) สามารถมีโครงสร้างได้หลายแบบ แต่โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ แบบไดอิเล็กทริกและแบบไอออนิก

วัสดุอิลาสโตเมอร์ ไดอิเล็กทริก (Dielectric EAPs)คือวัสดุที่การทำงานเกิดจาก แรง ไฟฟ้าสถิตระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้วซึ่งบีบอัดพอลิเมอร์ อิลาสโตเมอร์ไดอิเล็กทริกสามารถยืดตัวได้สูงมาก และโดยพื้นฐานแล้วเป็นตัวเก็บประจุที่เปลี่ยนแปลงค่าความจุเมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้า โดยทำให้พอลิเมอร์หดตัวในแนวราบและขยายตัวในพื้นที่เนื่องจากสนามไฟฟ้า วัสดุอิลาสโตเมอร์ไดอิเล็กทริกประเภทนี้โดยทั่วไปต้องการแรงดันไฟฟ้ากระตุ้นสูงเพื่อสร้างสนามไฟฟ้าสูง (หลายร้อยถึงหลายพันโวลต์ ) แต่ ใช้ พลังงานไฟฟ้า ต่ำมาก วัสดุอิลาสโตเมอร์ไดอิเล็กทริกไม่ต้องการพลังงานในการรักษาตำแหน่งของตัวกระตุ้น ตัวอย่างเช่น พอลิเมอร์อิเล็กโทรสตริกทีฟและอิลาสโตเมอร์ไดอิเล็กทริก

พอลิเมอร์เฟอร์โรอิเล็กทริกเป็นกลุ่มของพอลิเมอร์ขั้วผลึกที่เป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก เช่นกัน ซึ่งหมายความว่าพวกมันรักษาสภาพขั้วไฟฟ้า ถาวร ที่สามารถกลับทิศทางหรือสลับได้ในสนามไฟฟ้าภายนอก^{[ 10 ] [ 11 ]}พอลิเมอร์เฟอร์โรอิเล็กทริก เช่นโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) ถูกนำมาใช้ในตัวแปลงสัญญาณเสียงและแอคทูเอเตอร์ไฟฟ้าเชิงกลเนื่องจาก การตอบสนอง แบบเพียโซอิเล็กทริก โดยธรรมชาติ และใช้เป็นเซ็นเซอร์ความร้อนเนื่องจากการตอบสนองแบบไพโรอิเล็กทริก โดยธรรมชาติ ^{[ 12 ]}

พอลิเมอร์กราฟต์อิเล็กโทรสตริกทีฟประกอบด้วยโซ่หลักที่ยืดหยุ่นได้พร้อมโซ่ข้างที่แตกแขนง โซ่ข้างบนพอลิเมอร์หลักที่อยู่ใกล้เคียงจะเชื่อมโยงกันและก่อตัวเป็นหน่วยผลึก หน่วยผลึกของโซ่หลักและโซ่ข้างสามารถก่อตัวเป็นโมโนเมอร์ที่มีขั้ว ซึ่งประกอบด้วยอะตอมที่มีประจุบางส่วนและสร้างโมเมนต์ไดโพล^{[ 13 ]}

เมื่อสนามไฟฟ้าถูกประยุกต์ใช้ แรงจะถูกส่งไปยังประจุย่อยแต่ละส่วน ซึ่งทำให้หน่วยพอลิเมอร์ทั้งหมดหมุน การหมุนนี้ทำให้เกิดความเครียดและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของพอลิเมอร์เนื่องจากสนามไฟฟ้า

พอลิเมอร์ผลึกเหลวสายหลักมี กลุ่ม เมโซเจนิกที่เชื่อมต่อกันด้วยตัวเชื่อมที่ยืดหยุ่น เมโซเจนภายในโครงสร้างหลักก่อให้เกิดโครงสร้างเมโซเฟส ทำให้พอลิเมอร์เองมีโครงสร้างที่เข้ากันได้กับโครงสร้างของเมโซเฟส การเชื่อมโยงโดยตรงของลำดับผลึกเหลวกับโครงสร้างของพอลิเมอร์ทำให้อีลาสโตเมอร์ผลึกเหลวสายหลักได้รับความสนใจอย่างมาก^{[ 14 ]}การสังเคราะห์อีลาสโตเมอร์ที่มีการจัดเรียงตัวสูงนำไปสู่การกระตุ้นด้วยความร้อนที่มีความเครียดสูงตามทิศทางของสายโซ่พอลิเมอร์ โดยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิส่งผลให้เกิดคุณสมบัติทางกลที่เป็นเอกลักษณ์และมีศักยภาพในการใช้งานเป็นตัวกระตุ้นทางกล

พอลิเมอร์ ไอออนิก EAP เป็นพอลิเมอร์ที่การทำงานเกิดจากการเคลื่อนที่ของไอออนภายในพอลิเมอร์ โดยใช้แรงดันไฟฟ้าเพียงไม่กี่โวลต์ก็สามารถกระตุ้นการทำงานได้แล้ว แต่การไหลของไอออนหมายความว่าต้องใช้พลังงานไฟฟ้าที่สูงขึ้นในการกระตุ้น และต้องใช้พลังงานในการรักษาตำแหน่งของตัวกระตุ้นให้คงที่

ตัวอย่างของ EAP ไอออนิก ได้แก่โพลิเมอร์นำไฟฟ้าสารประกอบโพลิเมอร์ไอออนิก-โลหะ (IPMCs) และเจลตอบสนอง อีกตัวอย่างหนึ่งคือ แอคทูเอเตอร์เจลบัคกี้ ซึ่งเป็นชั้นของวัสดุโพลีอิเล็กโทรไลต์ ที่รองรับด้วยโพลิเมอร์ ประกอบด้วย ของเหลวไอออนิกที่อยู่ระหว่าง ชั้น อิเล็กโทรด สอง ชั้น ซึ่งเป็นเจล ของของเหลวไอออนิก ที่ มี ท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว^{[ 15 ]}ชื่อนี้มาจากความคล้ายคลึงกันของเจลกับกระดาษที่สามารถทำได้โดยการกรองท่อนาโนคาร์บอน ซึ่งเรียกว่ากระดาษบัคกี้^{[ 16 ]}

ของเหลวอิเล็กโทรริโอโลจิคัลจะเปลี่ยนความหนืดเมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้า ของเหลวนี้เป็นสารแขวนลอยของพอลิเมอร์ในของเหลวที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ^{[ 17 ]}เมื่อใช้สนามไฟฟ้าขนาดใหญ่ ความหนืดของสารแขวนลอยจะเพิ่มขึ้น การใช้งานที่เป็นไปได้ของของเหลวเหล่านี้ ได้แก่ โช้คอัพ ตัวยึดเครื่องยนต์ และตัวลดเสียง^{[ 17 ]}

สารประกอบพอลิเมอร์ไอออนิก-โลหะประกอบด้วยเยื่อไอโอโนเมอร์บางๆ ที่มีอิเล็กโทรดโลหะมีค่าเคลือบอยู่บนพื้นผิว นอกจากนี้ยังมีแคตไอออนเพื่อปรับสมดุลประจุของแอนไอออนที่ยึดติดกับโครงสร้างหลักของพอลิเมอร์^{[ 18 ]} สารประกอบ เหล่านี้เป็นแอคทูเอเตอร์ที่ มีประสิทธิภาพสูง แสดงการเปลี่ยนรูปสูงมากที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ และแสดงความต้านทานต่ำ สารประกอบพอลิเมอร์ไอออนิก-โลหะทำงานผ่านแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนบวกและแคโทดของสนามไฟฟ้าที่ใช้ พอลิเมอร์ประเภทนี้มีแนวโน้มที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานเลียนแบบชีวภาพ เนื่องจากเส้นใยคอลลาเจนประกอบด้วยพอลิเมอร์ไอออนิกที่มีประจุตามธรรมชาติเป็นหลัก^{[ 19 ]} Nafion และ Flemion เป็นสารประกอบพอลิเมอร์ไอออนิก-โลหะที่ใช้กันทั่วไป^{[ 20 ]}

เจลที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้า ( ไฮโดรเจลเมื่อสารที่ทำให้เกิดการบวมตัวเป็นสารละลายในน้ำ) เป็นเครือข่ายพอลิเมอร์ที่บวมตัวได้ชนิดพิเศษที่มีพฤติกรรมการเปลี่ยนเฟสปริมาตร วัสดุเหล่านี้เปลี่ยนปริมาตร คุณสมบัติทางแสง ทางกล และคุณสมบัติอื่นๆ ได้อย่างย้อนกลับได้ด้วยการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของสิ่งเร้าทางกายภาพบางอย่าง (เช่น สนามไฟฟ้า แสง อุณหภูมิ) หรือทางเคมี (ความเข้มข้น) ^{[ 21 ]}การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของวัสดุเหล่านี้เกิดขึ้นจากการบวม/หดตัวและอาศัยการแพร่กระจาย เจลให้การเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่ใหญ่ที่สุดในบรรดาวัสดุของแข็ง^{[ 22 ]}เมื่อรวมกับความเข้ากันได้ดีเยี่ยมกับเทคโนโลยีการผลิตระดับไมโคร โดยเฉพาะอย่างยิ่งไฮโดรเจลที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้ากำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นอย่างมากสำหรับระบบไมโครที่มีเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ สาขาการวิจัยและการประยุกต์ใช้ในปัจจุบัน ได้แก่ ระบบเซ็นเซอร์เคมี ไมโครฟลูอิดิกส์ และระบบการถ่ายภาพหลายรูปแบบ

พอลิเมอร์ไดอิเล็กทริกสามารถรักษาการเคลื่อนที่ที่เหนี่ยวนำไว้ได้ในขณะที่ถูกกระตุ้นด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง^{[ 23 ]}ซึ่งทำให้สามารถพิจารณาใช้พอลิเมอร์ไดอิเล็กทริกในแอปพลิเคชันหุ่นยนต์ได้ วัสดุประเภทนี้ยังมีความหนาแน่นของพลังงานเชิงกลสูงและสามารถใช้งานในอากาศได้โดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลงมากนัก อย่างไรก็ตาม พอลิเมอร์ไดอิเล็กทริกต้องการสนามกระตุ้นที่สูงมาก (>10 V/μm) ซึ่งใกล้เคียงกับระดับการแตกตัว

ในทางกลับกัน การกระตุ้นโพลิเมอร์ไอออนิกต้องการเพียง 1-2 โวลต์เท่านั้น อย่างไรก็ตาม โพลิเมอร์เหล่านี้จำเป็นต้องรักษาความชื้นไว้ แม้ว่าโพลิเมอร์บางชนิดได้รับการพัฒนาให้เป็นตัวกระตุ้นแบบห่อหุ้มในตัว ซึ่งช่วยให้สามารถใช้งานได้ในสภาพแวดล้อมที่แห้ง^{[ 19 ]}โพลิเมอร์ไอออนิกยังมีการเชื่อมต่อทางกลไฟฟ้าต่ำอีกด้วย อย่างไรก็ตาม โพลิเมอร์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์เลียนแบบชีวภาพ

แม้ว่าจะมีวิธีการมากมายในการวิเคราะห์คุณสมบัติของพอลิเมอร์ที่ไวต่อไฟฟ้า แต่ในที่นี้จะกล่าวถึงเพียงสามวิธี ได้แก่ เส้นโค้งความเค้น-ความเครียด การวิเคราะห์ทางกลความร้อนแบบไดนามิก และการวิเคราะห์ทางความร้อนแบบไดอิเล็กทริก

เส้นโค้งความเค้น-ความเครียดให้ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกลของพอลิเมอร์ เช่น ความเปราะ ความยืดหยุ่น และความแข็งแรงครากของพอลิเมอร์ โดยทำได้โดยการให้แรงกระทำต่อพอลิเมอร์ในอัตราคงที่และวัดการเสียรูปที่เกิดขึ้น^{[ 24 ]}เทคนิคนี้มีประโยชน์ในการกำหนดประเภทของวัสดุ (เปราะ เหนียว ฯลฯ) แต่เป็นเทคนิคที่ทำลายวัสดุ เนื่องจากความเค้นจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งพอลิเมอร์แตกหัก

การวิเคราะห์เชิงกลแบบไดนามิกเป็นเทคนิคที่ไม่ทำลายซึ่งมีประโยชน์ในการทำความเข้าใจกลไกการเสียรูปในระดับโมเลกุล ใน DMTA จะมีการใช้แรงเค้นแบบไซน์กับพอลิเมอร์ และจากลักษณะการเสียรูปของพอลิเมอร์จะได้ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่น และลักษณะการหน่วง (โดยสมมติว่าพอลิเมอร์เป็น ตัวสั่นแบบฮาร์มอนิกที่มีการหน่วง ) ^{[ 24 ]}วัสดุที่มีความยืดหยุ่นจะรับพลังงานกลจากแรงเค้นและแปลงเป็นพลังงานศักยภาพซึ่งสามารถกู้คืนได้ในภายหลัง สปริงในอุดมคติจะใช้พลังงานศักยภาพทั้งหมดเพื่อกลับคืนสู่รูปทรงเดิม (ไม่มีการหน่วง) ในขณะที่ของเหลวจะใช้พลังงานศักยภาพทั้งหมดเพื่อไหล โดยไม่กลับคืนสู่ตำแหน่งหรือรูปทรงเดิม (มีการหน่วงสูง) พอลิเมอร์แบบวิสโคอีลาสติกจะแสดงพฤติกรรมทั้งสองประเภทผสมกัน^{[ 24 ]}

DETA คล้ายกับ DMTA แต่แทนที่จะใช้แรงเชิงกลสลับ จะใช้สนามไฟฟ้าสลับแทน สนามที่ใช้สามารถนำไปสู่การโพลาไรเซชันของตัวอย่าง และหากพอลิเมอร์มีกลุ่มที่มีไดโพลถาวร ไดโพลเหล่านั้นจะเรียงตัวตามสนามไฟฟ้า^{[ 24 ]} สามารถวัด ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าได้จากการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดและแยกออกเป็นส่วนประกอบของการเก็บและการสูญเสียไดอิเล็กทริก นอกจากนี้ยังสามารถวัด สนามการกระจัดทางไฟฟ้าได้โดยการติดตามกระแส^{[ 24 ]}เมื่อถอดสนามออก ไดโพลจะคลายตัวกลับสู่การวางตัวแบบสุ่ม

วัสดุ EAP สามารถผลิตเป็นรูปทรงต่างๆ ได้ง่าย เนื่องจากวัสดุพอลิเมอร์หลายชนิดสามารถแปรรูปได้ง่าย ทำให้เป็นวัสดุที่มีความหลากหลายในการใช้งานสูง หนึ่งในแอปพลิเคชันที่เป็นไปได้ของ EAP คือการบูรณาการเข้ากับระบบไมโครอิเล็กโทรเมคานิกส์ (MEMS) เพื่อผลิตแอคทูเอเตอร์อัจฉริยะ

EAPs ถูกนำมาใช้ในกล้ามเนื้อเทียมเนื่องจากเป็นทิศทางการวิจัยเชิงปฏิบัติที่มีศักยภาพมากที่สุด[ 25 ^{]ความสามารถ}ในการเลียนแบบการทำงานของกล้ามเนื้อชีวภาพที่มีความทนทานต่อการแตกหัก สูง ความเครียดในการกระตุ้นขนาดใหญ่ และการลดการสั่นสะเทือนโดยธรรมชาติ ดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ในสาขานี้^{[ 5 ]} EAPs ยังถูกนำมาใช้สร้างมือเทียมได้สำเร็จอีกด้วย^{[ 25 ]}

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา “โพลิเมอร์ที่ไวต่อไฟฟ้าสำหรับ จอแสดงผล อักษรเบรลล์ แบบรีเฟรชได้ ” ^{[ 26 ]}ได้เกิดขึ้นเพื่อช่วยเหลือผู้พิการทางสายตาในการอ่านอย่างรวดเร็วและการสื่อสารด้วยคอมพิวเตอร์ แนวคิดนี้ขึ้นอยู่กับการใช้แอคทูเอเตอร์ EAP ที่กำหนดค่าในรูปแบบอาร์เรย์ แถวของอิเล็กโทรดด้านหนึ่งของฟิล์ม EAP และคอลัมน์อีกด้านหนึ่งจะกระตุ้นองค์ประกอบแต่ละส่วนในอาร์เรย์ แต่ละองค์ประกอบติดตั้งจุดอักษรเบรลล์และจะลดลงโดยการใช้แรงดันไฟฟ้าผ่านความหนาขององค์ประกอบที่เลือก ทำให้ความหนาเฉพาะที่ลดลง ภายใต้การควบคุมของคอมพิวเตอร์ จุดต่างๆ จะถูกกระตุ้นเพื่อสร้างรูปแบบสัมผัสของค่าสูงและต่ำที่แสดงถึงข้อมูลที่จะอ่าน

ความประทับใจทางสายตาและสัมผัสของพื้นผิวเสมือนจริงจะแสดงโดยจอแสดงผลสัมผัสความละเอียดสูง ซึ่งเรียกว่า "ผิวหนังเทียม" ^{[ 28 ]}อุปกรณ์โมโนลิธิกเหล่านี้ประกอบด้วยอาร์เรย์ของตัวปรับสัญญาณแบบมัลติโมดอล (พิกเซลแอคทูเอเตอร์) นับพันตัวที่ใช้ไฮโดรเจลที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้า ตัวปรับสัญญาณแต่ละตัวสามารถเปลี่ยนแปลงการส่งผ่าน ความสูง และความนุ่มนวลได้ด้วยตนเอง นอกจากความเป็นไปได้ในการใช้งานเป็นจอแสดงผลกราฟิกสำหรับผู้พิการทางสายตาแล้ว จอแสดงผลเหล่านี้ยังน่าสนใจในฐานะปุ่มที่ตั้งโปรแกรมได้อย่างอิสระของทัชแพดและคอนโซล

วัสดุ EAP มีศักยภาพมหาศาลสำหรับไมโครฟลูอิดิกส์ เช่นระบบนำส่งยาอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์และแล็บออนอะชิปเทคโนโลยีแพลตฟอร์มไมโครฟลูอิดิกส์แรกที่รายงานในวรรณกรรมนั้นใช้เจลที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้า เพื่อหลีกเลี่ยงการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์ที่ใช้ไฮโดรเจลส่วนใหญ่จะใช้พอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่ออุณหภูมิที่มีลักษณะอุณหภูมิวิกฤตต่ำ (LCST) ซึ่งควบคุมโดยอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรเทอร์มิกส์ ไมโครปั๊มมีสองประเภทที่เป็นที่รู้จัก คือ ไมโครปั๊มแบบแพร่ และไมโครปั๊มแบบแทนที่^{[ 29 ]}ไมโครวาล์วที่ใช้ไฮโดรเจลที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าแสดงคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์บางประการ เช่น ความทนทานต่ออนุภาค ไม่มีการรั่วไหล และความต้านทานแรงดันที่โดดเด่น^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

นอกจากส่วนประกอบมาตรฐานไมโครฟลูอิดิกเหล่านี้แล้ว แพลตฟอร์มไฮโดรเจลยังให้เซ็นเซอร์เคมี^{[ 33 ]}และส่วนประกอบไมโครฟลูอิดิกประเภทใหม่ คือ ทรานซิสเตอร์เคมี (เรียกอีกอย่างว่า วาล์วเคมีสแตท) ^{[ 34 ]}อุปกรณ์เหล่านี้จะควบคุมการไหลของของเหลวหากความเข้มข้นของสารเคมีบางชนิดถึงระดับเกณฑ์ ทรานซิสเตอร์เคมีเป็นพื้นฐานของวงจรไมโครเคมีเชิงกลแบบรวมของเหลว "วงจรรวมเคมี" ประมวลผลข้อมูลทางเคมีโดยเฉพาะ ขับเคลื่อนด้วยพลังงานเอง ทำงานโดยอัตโนมัติ และเหมาะสำหรับการรวมขนาดใหญ่^{[ 35 ]}

แพลตฟอร์มไมโครฟลูอิดิกอีกแพลตฟอร์มหนึ่งใช้พื้นฐานจากวัสดุไอโอโนเมริก ปั๊มที่ทำจากวัสดุดังกล่าวสามารถให้การทำงานที่แรงดันต่ำ ( แบตเตอรี่ ) เสียงรบกวนต่ำมาก ประสิทธิภาพของระบบสูง และการควบคุมอัตราการไหลที่แม่นยำสูง^{[ 36 ]}

เทคโนโลยีอีกอย่างหนึ่งที่สามารถได้รับประโยชน์จากคุณสมบัติเฉพาะของแอคทูเอเตอร์ EAP คือเมมเบรนแสง เนื่องจากมีโมดูลัสต่ำ ความต้านทานเชิงกลของแอคทูเอเตอร์จึงเข้ากันได้ดีกับ วัสดุ เมมเบรน แสงทั่วไป นอกจากนี้ แอคทูเอเตอร์ EAP ตัวเดียวสามารถสร้างการเคลื่อนที่ได้ตั้งแต่ไมโครเมตรถึงเซนติเมตร ด้วยเหตุนี้ วัสดุเหล่านี้จึงสามารถใช้สำหรับการแก้ไขรูปร่างคงที่และการระงับการสั่นไหว แอคทูเอเตอร์เหล่านี้ยังสามารถใช้เพื่อแก้ไขความคลาดเคลื่อนทางแสงเนื่องจากการรบกวนของบรรยากาศได้ อีกด้วย ^{[ 37 ]}

เนื่องจากวัสดุเหล่านี้แสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม วัสดุ EAP จึงมีศักยภาพใน การวิจัยหุ่นยนต์เลียนแบบ ชีวภาพเซ็นเซอร์วัดความเครียด และ สาขา อะคูสติกซึ่งจะทำให้ EAP กลายเป็นหัวข้อการศึกษาที่น่าสนใจมากขึ้นในอนาคตอันใกล้ มีการนำไปใช้กับแอคทูเอเตอร์ต่างๆ เช่น กล้ามเนื้อใบหน้าและกล้ามเนื้อแขนในหุ่นยนต์ฮิวมานอยด์^{[ 38 ]}

สาขา EAP ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์ ซึ่งทำให้ยังมีปัญหาหลายประการที่ยังต้องดำเนินการแก้ไข^{[ 5 ]}ควรปรับปรุงประสิทธิภาพและความเสถียรในระยะยาวของ EAP โดยการออกแบบ พื้นผิว ที่ไม่สามารถซึมผ่าน น้ำได้ ซึ่งจะป้องกันการระเหยของน้ำที่อยู่ใน EAP และยังช่วยลดการสูญเสียไอออนบวกที่อาจเกิดขึ้นเมื่อ EAP ทำงานโดยจุ่มอยู่ใน สภาพแวดล้อม ที่เป็นน้ำควรสำรวจการนำไฟฟ้าของพื้นผิวที่ดีขึ้นโดยใช้วิธีการผลิตพื้นผิวที่เป็นตัวนำที่ปราศจากข้อบกพร่อง ซึ่งอาจทำได้โดยใช้การตกตะกอนไอโลหะหรือวิธีการโดปอื่นๆ นอกจากนี้ยังอาจสามารถใช้โพลิเมอร์นำไฟฟ้าเพื่อสร้างชั้นนำไฟฟ้าที่หนาได้ EAP ที่ทนความร้อนจะเป็นที่ต้องการเพื่อให้สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นได้โดยไม่ทำให้โครงสร้างภายในของ EAP เสียหายเนื่องจากการเกิดความร้อนในวัสดุคอมโพสิตของ EAP การพัฒนา EAP ในรูปแบบต่างๆ (เช่น เส้นใยและมัดเส้นใย) ก็จะเป็นประโยชน์เช่นกัน เพื่อเพิ่มช่วงของโหมดการเคลื่อนที่ที่เป็นไปได้

• กล้ามเนื้อเทียมแบบใช้ลม
• กล้ามเนื้อเทียม

• แอคทูเอเตอร์พอลิเมอร์ไฟฟ้าแอคทีฟ (EAP) ในฐานะกล้าม เนื้อเทียม – ความเป็นจริง ศักยภาพ และความท้าทาย ISBN 978-0819452979
• พอลิเมอร์ที่ไวต่อไฟฟ้าในฐานะกล้ามเนื้อเทียม: ความเป็นจริงและความท้าทาย
• พอลิเมอร์ที่ไวต่อไฟฟ้าสำหรับการตรวจวัด