Polimerii electroactivi - o nouă clasă de actuatori neconvenționali

Explorarea de catre om a unor medii ostile (mediul cosmic, mediul marin), la distante mari (mediul cosmic), dezvoltarea unor domenii precum micro si nanotehnologia au impus noi abordari in domeniul actionarii, actuatorii clasici nemaifacand fata acestor cerinte noi. Astfel, cercetatorii s-au indreptat spre descoperirea de noi actuatori, neconventionali, care sa indeplineasca conditiile cerute de noile aplicatii. In aceste cercetari s-au implicat colective de cercetare din institute si universitati prestigioase din Statele Unite, Japonia, Rusia, Germania, Anglia, Franta, China, Italia si alte tari, fapt ce rezulta si din bibliografia prezentata in continuare.

Anumite proprietati ale polimerilor ii recomanda pe acestia ca actuatori iar datorita acestui fapt se fac cercetari atat pe polimerii existenti si totodata se incearca obtinerea de noi polimeri, cu caracteristici imbunatatite. Ca recunoaştere a nevoii pentru cooperare internaţională între cercetători, consumatori şi potenţiali sponsori, s-a organizat prima conferinţă PEA pe 1-2 Martie 1999, cu ocazia The International Society for Optical Engineering (SPIE) ca parte a Smart Structures and Materials Symposium [Bar-Cohen, 1999]. Această conferinţă a fost ţinută în Newport Beach, California, SUA, şi a fost cea mai mare conferinta de până atunci care a dezbătut acest subiect, marcând un important început şi îndreptand atenţia asupra acestor noi materiale şi a potenţialului lor. Totodata, pentru a stimula cercetarile in aceasta directie dr.Y.Bar-Cohen de la Jet Propulsion Laboratory (JPL) a lansat o provocare intregii comunitati de experti PEA, instituind un premiu pentru cine dezvolta un brat robotizat actionat de muschii artificiali constituiti din PEA, care reuseste sa invinga intr-un meci de skandeberg un oponent uman. Deja a avut loc o intalnire in care o tanara de liceu a invins doua asemenea brate. Resursele sporite, numarul in crestere a cercetatorilor care conduc studii legate de polimerii electroactivi (PEA), precum si imbunatatirea colaborarii dintre cercetatori, consumatori si sponsori sunt de asteptat sa conduca la un progres rapid in urmatorii ani. Aceasta provocare a condus deja la primele rezultate, dezvoltandu-se noi clase de polimeri precum si incorporarea acestora in structuri inteligente din domenii de varf precum robotica, bioingineria, tehnica spatiala etc. Tinand seama de cerintele tot mai mari, impuse de ritmul alert al progresului tehnologic, si de calitatile polimerilor electroactivi, care ii recomanda pentru anumite aplicatii, cercetarile in acest domeniu au capatat amploare la nivel mondial. S-au initiat cooperarari intre cercetatori, ingineri si experti din domenii diverse, cum ar fi medicina, stiinta materialelor, mecanica, electrochimie, robotica, stiinta calculatoarelor si electronica, pentru a dezvolta si imbunatati proprietatile fizico-mecanice ale polimerilor electroactivi, tehnicile de producere si largirea sferei de aplicatii. In Romania, cercetarile in acest domeniu sunt firave, asa incat se impune un efort din partea specialistilor pentru racordarea la eforturile pe plan mondial in acest domeniu.

- Polimerii au multe caracteristici avantajoase : sunt usori, ieftini, prezinta rezistenta la rupere si sunt maleabili. In plus, ei pot sa fie configurati in aproape orice forma imaginabila si proprietatile lor permit a fi modelati convenabil pe un domeniu larg de cerinte. In ultimii zece ani, au aparut noi polimeri receptivi la stimularea electrica cu o modificare semnificativa a formei sau a dimensiunilor, si aceste progrese au adaugat o capacitate importanta acestor materiale. Aceasta proprietate a polimerilor electroactivi (PEA) a atras atentia inginerilor si savantilor dintr-un spectru larg de discipline. Deoarece ei au un comportament asemanator cu al muschilor biologici, PEA au dobandit denumirea de „muschi artificiali”. Specialistii in biomimetica (un domeniu unde mecanismele robotice sunt dezvoltate pe baza modelelor biologice) sunt incantati de aceste materiale deoarece comportarea PEA, asemanatoare muschilor artificiali, poate fi aplicata in mimarea miscarilor animalelor si insectelor. In tabelul 1 se prezinta o comparatie intre PEA si alte materiale utilizate la realizarea actuatorilor neconventionali precum Aliajele cu Memoria Formei (AMF) si materialele Ceramice Electroactive (CEA).

Toate aceste caracteristici ale PEA precum si cresterea numarului de cercetari in acest domeniu vor face posibila dezvoltarea de structuri inteligente propulsate de PEA.

Tabelul 1. Comparatie intre proprietatile materialelor utilizate pentru construirea actuatorilor cu PEA

Proprietati Polimeri electroactivi

(PEA) Aliaje cu memoria formei (AMF) Materiale ceramice electroactive (CEA)

Deformatia specifica de actuare >10% <8% 0.1-0.3%

Presiunea suportata [MPa] 0.1-3 ~700 30-40

Viteza de reactie Microsecunde Secunde pina la minute Microsecunde

Densitatea [g/cm3] 1-2.5 5-6 6-8

Tensiunea de comanda 2-7[V]/10-150[μV] nu 50-800 [V]

Puterea consumata Miliwatt Watt Watt

Rezilienta la rupere Rezilient, elastic Elastic Fragil

În viitorul apropiat, mecanismele robotizate propulsate de PEA vor ajuta inginerii să creeze dispozitive care înainte erau imaginabile doar în domeniul ştiinţifico-fantastic.

- Importanta stiintifica a PEA rezulta din aria lor de aplicabilitate. PEA prezinta o clasa mare de polimeri, asa cum reiese si din prezentarea stadiului actual al cunoasterii, ceea ce implica si o arie de aplicabilitate mare.