MATERIAŁY ELEKTROSTRYKCYJNE - ELASTOMERY DIELEKTRYCZNE
(DIELECTRIC ELASTOMERS - ELECTROSTRICTIVE MATERIALS)

Elastomery dielektryczne (zwane także polimerami elektrostrykcyjnymi) pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego wykazują mechaniczne odkształcenie.

Materiały elektrostrykcyjne

Elastomery dielektryczne dają większe wartości odkształcenia i siły niż większość konkurencyjnych rozwiązań (zdolność do odkształceń jest znacznie wyższa niż piezoceramikach (10-30% vs. 0,1-0,3%)). Pod tym względem ich parametry są zbliżone do mięśni. Stąd ich potoczna nazwa - "sztuczne mięśnie"
Dzięki swojej zdolności elektrostrykcyjnego odkształcenia, materiały te znalazły szerokie zastosowanie przy budowie sztucznych mięśni.

Jak działają elastomery dielektryczne. Zasada działania nowego rodzaju siłowników, nazywanych sztucznymi mięśniami, jest stosunkowo prosta. Wiele elastomerów dielektrycznych, na przykład polimery silikonowe i akrylowe, umieszczonych w dostatecznie silnym polu elektrycznym, kurczy się w kierunku pola i rozszerza w płaszczyźnie do niego prostopadłej, ulegając zjawisku, które fizycy nazywają naprężeniem Maxwella. Nowe urządzenia przypominają giętkie kondensatory - dwie okładki z umieszczoną między nimi warstwą dielektryka. Po podłączeniu napięcia przeciwległe okładki ładują się odpowiednio dodatnio i ujemnie. Przyciągają się i zgniatają rozdzielający je izolator, który w odpowiedzi zwiększa swoją powierzchnię.
Powleka się z obydwu stron cienkie (zwykle grubości 30-60 mm) warstwy elastomerów dielektrycznych plastycznym polimerem, zawierającym drobiny przewodzącego węgla. Po połączeniu przewodami z zasilaczem zewnętrzne warstwy z węglem służą za elastyczne elektrody, rozciągające się wraz ze znajdującym się między nimi materiałem. Taka przypominająca kanapkę struktura jest podstawowym elementem wielu rodzajów nowych siłowników, czujników i generatorów prądu.
Elastomery dielektryczne mogące zwiększać swoje rozmiary nawet czterokrotnie nie są oczywiście jedynymi materiałami elektroaktywnymi, należą jednak do najefektywniejszych.

Podział. Polimery odkształcając się pod wpływem elektryczności można podzielić na dwa typy: jonowe i elektronowe. Każdy z nich ma wady i zalety.
Jonowe polimery elektroaktywne (w tym jonowe żele polimerowe, jonomerowe kompozyty polimer-metal, przewodzące polimery oraz nanorurki węglowe) działają na zasadzie dyfuzji jonów. Ponieważ wyraźne odkształcenie powstaje pod wpływem zmiany napięcia o pojedyncze wolty, do zasilania wystarczają baterie. Problem w tym, że aby działały, muszą być wilgotne, stąd konieczność ich szczelnego zamykania w elastycznych koszulkach. Inna poważna wada wielu jonowych polimerów elektroaktywnych (w szczególności jonomerowych kompozytów polimer-metal) polega na tym, że "ruch trwa tak długo, jak przykładane jest napięcie, a przekroczenie jego granicznej wartości inicjuje elektrolizę, która nieodwracalnie uszkadza materiał".
Elektronowe polimery elektroaktywne (takie jak polimery ferroelektryczne, elektrety, elastomery dielektryczne i elektrostrykcyjne elastomery szczepione) natomiast są uaktywniane przez pole elektryczne. Wymagają więc stosunkowo wysokich napięć, które mogą powodować nieprzyjemne elektrowstrząsy. W zamian jednak polimery te reagują szybko i ze znaczną siłą. Nie wymagają powłok ochronnych i prawie nie potrzebują prądu do utrzymania pozycji.
Napięcia niezbędne do aktywacji elastomerów dielektrycznych są stosunkowo wysokie - zwykle od 1 do 5 kV, prąd może być więc niewielki (przy ustalonej mocy natężenie prądu jest odwrotnie proporcjonalne do napięcia). Oznacza to, że można używać niedrogich cienkich przewodów, a przy tym nie problemów z chłodzeniem.

Zastosowanie

- Siłowniki membranowe

Warstwa elastomeru dielektrycznego rozpiętego na sztywnej ramce tworzy siłownik membranowy. Zwykle membrana jest wstępnie odkształcona, na przykład za pomocą sprężyny czy ciśnienia powietrza, dzięki czemu po przyłożeniu napięcia wygina się w określoną stronę i nie wpada w przypadkowe drgania. Siłowniki membranowe można stosować wszędzie tam, gdzie wymagana jest zmiana objętości, na przykład w pompach lub głośnikach. Siłowniki membranowe konstruuje się też z wykorzystaniem innych technologii, na przykład z użyciem materiałów piezoelektrycznych, jednak zastosowanie elastomerów pozwala uzyskać większy skok. W niektórych układach możliwa jest zmiana kształtu w zakresie od płaszczyzny do półkuli.

- Spring rollsy, węże i ramiona robotów

Polimery, które pod wpływem elektryczności, umożliwiają projektowanie sterowanych wydłużających się lub zginających siłowników. Inżynierowie najpierw nawijają dwie warstwy arkusza elastomeru (pokrytego z obydwu stron giętkimi elektrodami) na walec. Często warstwy nawija się na ściśniętą sprężynę, która silnie napręża wstępnie elastomer, zwiększając skuteczność urządzenia. Siłowniki cylindryczne (tzw. spring rollsy) mogą mieć wiele zastosowań w robotach, protezach, pompach, zaworach i wszędzie tam, gdzie wymagany jest przesuw liniowy. Na razie mogą one działać siłą do 30 N, ze skokiem 2 cm i częstotliwością 50 Hz. Aby uzyskać wyższe parametry, można zastosować większe siłowniki albo połączyć je szeregowo lub równolegle.
Przez stosunkowo prostą modyfikację siłowników cylindrycznych można uzyskać siłowniki zginające. Na boczne powierzchnie walca nanosi się specjalny układ elektrod tak, że po każdej stronie walca powstaje niezależnie zasilany siłownik. Jeżeli napięcie doprowadza się tylko do lewej części, prawa strona działa hamująco i walec wygina się w prawo. Jeżeli aktywujemy tylko prawą część, walec wygina się w lewo. Aktywacja obydwu siłowników powoduje wydłużenie walca. Bardziej skomplikowane układy niezależnych elektrod umożliwiają bardziej złożone ruchy i mogą posłużyć do konstrukcji robotów naśladujących ruchy węża, manipulatorów, zdalnie sterowanych cewników i endoskopów, nóg robotów i mechanizmów nakierowywania anten.

- Zmienne faktury

Modyfikowanie faktury powierzchni może być bardzo przydatne na przykład w "aktywnych" materiałach kamuflujących, przeznaczonych dla wojska.
Zmienna faktura może też pomóc w sterowaniu przepływem powietrza wokół samolotu lub wody wokół statku, a także posłużyć do konstrukcji wyświetlaczy dotykowych ze znakami alfabetu Braille'a.
W większości siłowników z elastomerami dielektrycznymi wykorzystuje się duże odkształcenia w płaszczyźnie warstwy, natomiast zmiany grubości są ledwie zauważalne. Jednak jeśli warstwy elastomeru i elastyczne elektrody pokryje się grubą powłoką miękkiego żelu, zmiany te będą większe i lepiej widoczne. Kiedy warstwa zmienia swoje rozmiary, żel zachowuje się podobnie, tworząc wypukłości w miejscach, gdzie warstwa jest ściskana.

Siłowniki liniowe: Aby uzyskać siłownik liniowy, inżynierowie nawijają kilka warstw laminowanych wstępnie naprężonych elastomerów dielektrycznych na sprężynę. Jej zadaniem jest utrzymywanie naprężenia na obwodzie. Z kolei wstępne naprężenie elastomeru wzdłuż osi ściska sprężynę. Napięcie elektryczne przykładane do warstwy elastomeru powoduje zmniejszenie jej grubości i wydłużenie, co w konsekwencji daje wydłużenie całego elementu. Dzięki temu siłownik może, zachowując zwartą konstrukcję, dawać znaczną siłę i skok. Układami takimi są zainteresowani producenci samochodów - mogą one zastąpić wiele małych silników elektrycznych, chociażby te, które sterują położeniem foteli albo zaworami w nowoczesnych silnikach bez wałków rozrządu.

Siłowniki zginające: Modyfikując podstawową konstrukcję siłownika liniowego, inżynierowie mogą tak podłączyć elektrody, aby na obwodzie walca utworzyły się co najmniej dwie niezależnie sterowane sekcje. Przykładając odpowiednio napięcie, można sprawić, że będzie się rozszerzać tylko jedna strona walca, co spowoduje jego wygięcie. Mechanizm wykorzystujący taką konstrukcję będzie mógł wykonywać skomplikowane ruchy, które trudno byłoby uzyskać za pomocą tradycyjnych silników, przekładni i cięgien. Prawdopodobnie znajdą one zastosowanie w sterowalnych cewnikach i robotach naśladujących ruch węża.

Siłowniki przeciwsobne: Pary warstw elastomerów dielektrycznych lub walcowych elementów sprężystych mogą być zestawiane w układy o konfiguracji przeciwsobnej, dzięki czemu ich wypadkowe działanie mogłoby być bardziej liniowe. Przełączając napięcie pomiędzy tak połączonymi elementami, można by przesuwać całą konstrukcję do przodu i do tyłu, a jednoczesne uaktywnienie obydwu elementów powodowałoby zablokowanie układu w pozycji neutralnej. Siłownik pracowałby podobnie jak poruszające ludzkim ramieniem biceps i triceps.

Głośniki: Tworzy go rozpięta warstwa elastomeru dielektrycznego na ramce.Tak uzyskana membrana, rozciągając się i kurcząc zgodnie z doprowadzanym napięciem, będzie źródłem dźwięku. Może stanowić lekki, płaski i tani głośnik, w którym element drgający zarazem wymusza ruch i emituje dźwięk. Obecne rozwiązania charakteryzują się dobrymi parametrami w zakresie średnich i wysokich częstotliwości. Nie zoptymalizowano jeszcze konstrukcji pod kątem przetwarzania tonów niskich.

Pompy: Konstrukcja pompy membranowej z elastomerem dielektrycznym jest taka sama jak głośnika, z tą różnicą, że zawiera komorę na płyn i dwa sterujące jego przepływem zawory zwrotne.

Powierzchnie o zmiennej fakturze i powierzchnie inteligentne: Jeżeli na powierzchnię polimeru naniesie się wiele elektrod, na przykład w postaci kropek, można w zależności od potrzeb zmieniać jej kształt. Taka technologia mogłaby znaleźć zastosowanie pozwalające uzyskać aktywną warstwę kamuflującą, zmieniającą kąt odbicia światła, albo jako mechanizm do tworzenia poprawiających właściwości aerodynamiczne "żeberek" na skrzydle samolotu.

Źródła prądu: Ponieważ materiały te zachowują się jak miękkie kondensatory, można na ich podstawie konstruować generatory energii elektrycznej. DARPA i armia Stanów Zjednoczonych finansują badania nad generatorem w podeszwie buta, który jako podręczne źródło zasilania urządzeń elektronicznych zastępowałby w terenie baterie. Osoba o przeciętnej wadze, stawiając jeden krok na sekundę, już dziś mogłaby za pomocą prototypowego urządzenia wytwarzać około 1 W mocy. Pomysłem tym zainteresowali się producenci obuwia. Podobne urządzenia można by instalować w szelkach plecaka lub w zawieszeniu samochodu.