（机械设计及理论专业论文）ipmc人工肌肉材料的制备、理论模型与分析.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 离子聚合物金属复合材料( i o n i cp o l y m e r - m e t a lc o m p o s i t e s ，i p m c ) 是一种新型电致形变高分 子材料，它以聚合物薄膜( 如n a t i o n ) 为基体，通过化学镀的方法将贵金属( 如p t ) 颗粒渗透并 沉积在膜的表面而形成的一种复合材料。与其它电致动聚合物材料相比较，i p m c 在施加较低电 压( 1 3 v ) 下，可产生超过9 0 0 的弯曲变形。除此之外，i p m c 还具有质量轻、易于控制、柔韧 性好等特点，因此具有非常大的应用潜力。本文在大量文献调研的基础上，开展了对i p m c 驱动 材料的建模和制备的研究工作，具体内容如下： 根据i p m c 材料的电致动机理，建立i p m c 材料内水合阳离子的力平衡方程，由水合阳离子 的浓度分布及水分子的扩散计算得出水分子的浓度以及含水量分布，结合实验所确定的含水量和 应变的关系从而确定i p m c 沿厚度方向的应变分布。该计算方法适用于不同形状的致动器，以悬 臂梁i p m c 驱动器为例，通过应变分布计算得到i p m c 驱动器的输出弯矩和相应的输出位移，数 值模拟的结果与实验结果相近似，证明该模型正确。 针对i p m c 力输出小和离水工作时间短的缺点，进行了i p m c 的改性制备和测试。研究了 n a t i o n 聚合物的浇铸工艺以及在浇铸溶液中加入t e o s ，浇铸成t e o s 改性的n a t i o n 薄膜。比较 自制膜和商业膜的弹性模量以及含水量。利用化学镀的方法制备i p m c 人工肌肉试样，测试表面 电极的电阻、弹性模量和摩擦系数。 在课题组前期搭建的测试系统的基础上，对i p m c 试样进行力、位移和电流性能的测试，比 较三种基体i p m c 试样的性能，为i p m c 材料的制备、改进提供参考。同时进一步完善i p m c 性能测 试平台，对i p m c 的性能测试系统进行了整合，重新设计整体工作台和夹装装置，完成总装图和 零件图。该装置可实现i p m c 力输出和位移输出的测试，并且满足i p m c 在水和离水两种环境的测 试。 本文从应用的角度出发，根据i p m c 的物理特征建立i p m c 的等效模型。对不同几何形状和 表面结构的i p m c 输出位移进行了模拟研究。 关键词：离子聚合物金属复合材料理论模型浇铸化学镀测试系统等效模型 i p m c 人工肌肉材料的制备、理论建模与分析 a b s t r a c t i o n i cp o l y m e r = m e t a lc o m p o s i t ei san e wt y p eo fe l e c t r i c a l l yd r i v e nm a t e r i a l ，i tc o n s i s to fa p e r f l u o r i n a t e di o n o m e rm e m b r a n e ( u s u a l l yn a t i o n ) p h t e do nb o t hf a c e sw i lan o b l em e t a ls u c ha s p l a t i n u m c o m p a r e d 谢mo t h e ra c t u a t o r s ，i p m cc a r lg e n e r a t em o r et h a n9 0 0b e n d i n gd e f o r m a t i o ni na l o wv o l t a g e ( 1 3 ，i p m ca l s oh a so t h e ra d v a n t a g es u c h 勰l i g h t w e i g h t , e a s yt oc o n t r o l ，f l e x i b i l i t y t h e r e f o r ei th a sg r e a tp o t e n t i a l i nt h i sp a p e r , w ec a r r i e do u tt h et h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n df a b r i c a t i o no f i p m co na l le x t e n s i v es u r v e y d e t a i l s 觞f o l l o w s ： w ee s t a b l i s h e df o r c eb a l a n c ee q u a t i o no fh y d r a t e dc a t i o na c c o r d i n gt ot h ee l e c t r i ca c t u a t o r p r o p e r t i e so fi p m c t h r o u g ht h ec o n c e n t r a t i o no fh y d r a t e dc a t i o nd i s t r i b u t i o na n dd i f f u s i o no fw a t e r m o l e c u l e s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fw a t e rm o l e c u l e s w e l l 越t h ew a t e rc o n t e n td i s t r i b u t i o nw e r e c a l c u l a t e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rc o n t e n ta n ds t r a i nc a nb ed e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t ；w ea l s o c a nd e t e r m i n et h ei p m cs t r a i nd i s t r i b u t i o na l o n gt h et h i c k n e s s t h em e t h o di ss u i t a b l ef o rd i f f e r e n t s h a p e so fa c t u a t o r s 。f o re x a m p l e ，t h r o u g ht h es t r a i nd i s t r i b u t i o nw ec a n c a l c u l a t et h ea c t u a t o r sm o m e n t s a n dt h ec o r r e s p o n d i n go u t p u td i s p l a c e m e n to fi p m ci nc a n t i l e v e rm o d e t h er e s u l t sb yn u m e r i c a l s i m u l a t i o na g r e e dw e l l 、j l r i t l lt h ed a t ea c q u k e db yt h ee x p e r i m e n t a l ；i tp r o v e dt h a tt h em e t h o di s e f f e c t i v e l ys u i t a b l e b e c a u s eb l o c k i n gf o r c eo fi p m ci ss m a l la n dw o r k i n gh o u r si ss h o r ti nan o n a q u e o u se n v k o n m e n t ， i nt h i sp a p e rw es t u d i e dt h ef a b r i c a t i o na n dt e s t e do fn e wi p m c t h en a t i o np o l y m e rc a s t i n gp r o c e s s ， u s i n ga c o m m e r c i a ln a t i o ns o l u t i o nc a s tn a t i o nt l l i c kp o l y m e rf i l m sa n da d d i n gt e o si nt h e c o m m e r c i a ln a t i o nc a s ts o l u t i o n ，c h e m i c a l l yt oi m p r o v et h ew a t e ru p t a k eo fn a t i o nm e m b r a n ew e r e s t u d i e d c o m p a r e dw i t hc o m m e r c i a lm e m b r a n e st h ee l a s t i cm o d u l u sa n dw a t e rc o n t e n to fs e l f - m a d e w e r ei m p r o v e d c h e m i c a lp l a t i n gm e t h o dp l a t e do nb o t hf a c e so fi p m cw i t han o b l em e t a ls u c h 舔 p l a t i n u mt ot e s tt h ee l a s t i cm o d u l u s ，e l e c t r o d er e s i s t a n c ea n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to fp te l e c t r o d e i nt h i sp a p e r , w er e d e s i g n e dt h ei p m cp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m b yt h i ss y s t e m , t h eb l o c k i n g f o r c e ，b e n d i n gd i s p l a c e m e n ta n dc u r r e n to fc o m m e r c i a lm e m b r a n ei p m c ，s e l f - m a d ei p m ca n di p m c w i t i lt e o sc h e m i c a li m p r o v e dw e r et e s t e d t h er e s u l t s p r o v i d e dar e f e r e n c ef o rf a b r i c a t i o na n d i m p r o v e m e n to fi p m c t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h ee q u i v a l e n tm o d e lo fi p m ca c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f i p m c t h ed i s p l a c e m e n to fd i f f e r e n tg e o m e t r ya n ds u r f a c es t r u c t u r ei p m c sh a sb e e ns t u d i e d k e yw o r d s ：i o n i cp o l y m e r - m e t a lc o m p o s i t e s ，t h e o r e t i c a lm o d e l ，c a s t i n g ，p l a t i n g ，t e s ts y s t e m , i i 南京航空航天大学硕士学位论文 e q u i v a l e n tm o d e l 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1 1 口m c 的致动机理2 图1 2 阳离子之间以及阴离子的静电作用3 图1 3 金属电极和阴离子之间的静电作用3 图1 4i p m c 传感原理示意图3 图1 5 约瑟夫博士提出e a p 材料机械手臂与人手扳手腕的设想。4 图1 6i p m c 人工肌肉材料制造的卫星表面除尘器5 图1 7i p m c 材料研发的商业鱼5 图1 8 八脚机器人6 图1 9 蝠鲼机器人电脑生成图6 图1 1 0 蝠鲼机器人鳍6 图1 1 1 蝠鲼机器人实物图。6 图1 1 2 三关节蛇形作动器7 图1 1 3n a t i o n 膜中的离子簇结构示意图7 图1 1 4 水合阳离子受力分析8 图1 1 5 等效压电晶片模型8 图1 1 6i p m c 等效电路模型。9 图2 1n 娟o n 膜浇铸示意图1 4 图2 2 纳米压痕仪s a 2 1 5 图2 。3b e r k o v i c h 三棱锥压头1 5 图2 4 自制含水n a t i o n 膜性能测试的载荷深度曲线1 5 图2 5 自制n a t i o n 膜性能测试硬度深度曲线1 6 图2 6 自制n a t i o n 膜性能测试模量深度曲线1 6 图2 7p t 置换原理示意图。1 8 图2 8 离子吸附原理图1 8 图2 9i p m c 表面电极化学镀实验装置示意图1 9 图2 1 0 喷砂机和喷砂工作台2 0 图2 1 l 没有打磨的n a t i o n 膜2 0 图2 1 2 打磨过的n a t i o n 膜。2 0 图2 1 3 主化学镀2 2 图2 1 4 次化学镀2 2 i p m c 人工肌肉材料的制备、理论建模与分析 图2 1 5 两次化学镀2 2 图2 1 6i p m c 表面p t 电极性能测试的载荷深度曲线2 3 图2 1 7i p m c 表面p t 电极性能测试模量深度曲线。2 3 图2 1 8 四探针测电阻示意图2 5 图2 1 9i p m c 结构示意图2 5 图2 2 0 试样5 湿试样摩擦系数测试2 6 图2 2 1 试样3 湿试样摩擦系数测试2 6 图2 2 2 试样4 干试样摩擦系数2 6 图2 2 3 试样4 干试样水润滑后摩擦系数2 6 图2 2 4 试样5 干试样水润滑后摩擦系数2 6 图2 2 5 试样3 湿试样放一天后摩擦系数2 6 图2 2 6 试样5 湿试样放一天后摩擦系数2 6 图2 2 7 试样5 湿试样放置一天后水润滑摩擦系数2 7 图3 1 测试系统示意图2 8 图3 2s p l 6 51 信号发生器2 9 图3 3 夹装装置图3 0 图3 4 位移测试系统3 1 图3 5 控制器3 l 图3 6 位移测试界面31 图3 7 传感器测头。3 1 图3 8 电压和位移关系。31 图3 91 0 0 m n 力传感器3 2 图3 1 0 力和试样长度的关系3 2 图3 1 1 电流测试系统示意图3 4 图3 1 2 电流传感器3 4 图3 1 3n ip c i - 6 0 2 4 数据采集卡的接口管脚图。3 5 图3 1 4 电流采集程序界面3 5 图3 1 5 电流传感器标定3 6 图3 1 6s 1 的电流3 6 图3 1 7s 2 的电流3 6 图3 1 8s 3 的电流3 6 图3 1 9t e o s 改性膜电压和电流的关系。3 6 图3 2 0s 4 的电流3 7 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 2 ls 5 的电流3 7 图3 2 2 商业膜基底i p m c 电流和电压关系3 7 图3 2 3s 6 的电流3 7 图3 2 4s 7 的电流。3 7 图3 2 5 自制膜基底p m c 电流和电压关系3 7 图3 2 6 测试装置立体图3 8 图3 2 7 夹装装置立体图3 9 图3 2 8 支架实物图3 9 图4 1i p m c 变形机理4 l 图4 2i p m c 接入电路示意图。4 2 图4 3i p m c 接入电路等效电路图4 2 图4 4 电压为1 5 v 的电流4 3 图4 5 电压为2 v 的电流4 3 图4 6 阶梯电压表示正弦电压4 3 图4 7 通过电路图模拟所得电流4 3 图4 8 水合阳离子受力分析图4 5 图4 9 m c 试样示意图。4 6 图4 1 0n a t i o n 商业膜应变和含水量的关系4 9 图4 1 1i p m c 材料沿厚度方向应力分布图4 9 图4 1 2 所加的电压和产生的电流。51 图4 1 3n r 电量分布图5 1 图4 1 4 最大位移时刻( 卢1 - 6 3 6 3 7 s ) 阳离子浓度分布图。51 图4 1 5 阳极附近阳离子浓度分布5 1 图4 1 6 阴极附近阳离子浓度分布。5 1 图4 1 7 沿厚度方向水分子浓度分布。5 2 图4 1 8 最大位移时刻( 卢1 6 3 6 3 7 s ) 应变分布图5 2 图4 1 9 由水分子浓度梯度所产生的位移一5 4 图4 2 0b o l t z m a n n 叠加原理示意图。5 4 图4 2 1 所施加的电压信号5 4 图4 2 2 产生的电流5 4 图4 2 3n a + 电量分布图5 5 图4 。2 4 阳离子浓度分布图。5 6 图4 2 5 阳极附近阳离子浓度分布5 6 i p m c 人工肌肉材料的制备、理论建模与分析 图4 2 6 阴极附近阳离子浓度分布5 6 图4 2 7 含水量分布5 7 图4 2 8 弯矩分布5 7 图4 2 9 实验与理论计算对比5 8 图4 3 0 实验位移变化趋势图5 8 图4 3 1 电解位移变化趋势图5 8 图5 1p m c 测试数据6 1 图5 2 泵膜形状图6 2 图5 3 泵膜形变图6 3 图5 4 圆形和s 形泵膜模态振型图6 4 图5 5 泵膜半径对于泵性能的影响。6 5 图5 6 泵膜厚度对工作性能的影响6 5 图5 7 驱动电压对工作效率的影响6 6 南京航空航天大学硕士学位论文 表清单 表1 1i p m c 、s m a 和e a c 特性比较3 表2 1 商业n a f i o n 膜和浇铸的n a f i o n 膜力学性能比较1 6 表2 2 四种膜的吸水率1 7 表2 3 金属铂电极力学性能比较2 4 表2 4 电学性能参数2 4 表2 5 试样质量变化表2 5 表3 1 信号发生器主要技术指标2 9 表3 2 激光位移传感器3 0 表4 1i p m c 材料的机械属性4 9 表4 2 阶梯模型试样参数5 0 表4 3 正弦模型试样参数5 5 表5 。1 泵膜工作参数分析6 3 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：i 羞苤 日 期：趔牛 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 自然界上亿年的进化，使现有的生物具有各自生存的本领，这也使人们对生物学研究产生 了浓厚的兴趣，而这种生存本领与其自身的身体结构是分割不开的。如壁虎可以轻易的飞墙走 壁，a u t u m n 等已经对壁虎脚掌作了微观尺寸的观察，发现壁虎脚掌上有近5 0 万根长度在3 0 1 3 0 # m 、直径在5 # m 的刚毛。正是这些刚毛，保证了壁虎能够自如行走于墙壁、天花板等表面。 随着人类对生物学的研究深入，向生物学习，仿生学就这样孕育产生了。 根据南京航空航天大学戴振东教授晗1 的论文显示壁虎脚掌的自由度达到2 3 个，而传统机器 人一般依靠的都是电机驱动，通过轴承连杆等来实现动作，如果采用传统的驱动方式来驱动壁虎 或者人的手掌、脚掌等，是基本不可能实现的，而且这种驱动执行系统弹性较差，不能象生物体那 样有弹性、有一定的破坏允许度。 人工肌肉材料的出现给人们带来了希望，人工肌肉可以轻易的产生形变，有与生物肌肉相似 的特性：低密度、有弹性、容忍破坏、较大的应变。同时用人工肌肉做成的执行器可以省掉齿轮、 轴承等，避免复杂的系统结构，同时减轻重量。人工肌肉大致可以分为两种，一种是气动人工肌肉， 另一种是电致动人工肌肉e a p ( e l e c t r o a c t i v ep o l y m e r s ) 。e a p 又按照驱动原理分为两种：传导离 子的e a p ( i o n i ce a p s ) 和传导电子的e a p ( e l e c t r o n i ce a p s ) 【3 ，4 】。传导电子的e a p 是利用电 场来驱动，相对于传导离子的聚合物凝胶来说，它在直流电压激励下可以产生较大的持久变形， 但要求施加较高的电压( l o o v # m ) ，如典型材料d i e l e c t r i ce a p 变形量可达4 0 0 ，反应较快 ( 毫秒级) 。传导离子的e a p ( i o n i ce a p s ) 是基于电化学原理，这种材料由离子交换聚合物和 两个金属电极组成。如典型材料i p m c ，在低电压( 小于1 5 v ) 下能产生较大的变形量和较高的 力密度，在某些用例中产生的力超过其本身重量4 0 倍哺1 ，这种致动器如塑胶般柔软和坚韧，可 在一定尺寸范围内很容易地分割成所需的形状，在潮湿的环境下工作良好，通过成囊封装技术 处理，在干燥环境下也具有一定的工作能力哺， 。 1 2ip m c 材料的介绍 i p m c ( i o n i cp o l y m e r - m e t a lc o m p o s i t e s ) 是一种离子型e a p ，目前，国外学者所致力于研究 和应用的i p m c 材料，是由阳离子交换膜( 全氟磺酸膜或全氟碳酸膜) 和铂等贵金属通过化学镀 方法复合而成，i p m c 的致动性能非常类似于生物肌肉，故称其为“人工肌肉川耵，它是一种适合 于开发仿生机器人的材料，其特性是在外界电场作用下，材料会随着外加电场的大小产生不同程 度的变形。i p m c 材料质地比较柔软，有弹性， 速，可在潮湿环境下工作，而且生物相容性佳， 较小的驱动电压即可产生较大的变形，响应迅 可制成细长条状等睁1 1 1 ，是一种极有发展潜力 l 】p m c 人工肌肉材料的制备、理论建模与分析 的智能材料。i p m c 最早应用于燃料电池方面在1 9 9 2 年ms h a h i n p o o r 等“人及另外几个研究 团队发现其有致动的特性。现在它们可以用来制成执行器应用到各个场舍一i p m c 可用于制造 可操控微小部件在传感器、微制动器件、人工肌肉和医用高分子材料等方面得到广泛廊用“”。 当给i p m c 材料施加电压后，薄膜将会向刚极弯曲，并且弯曲的程度与电压、频率、波形等 均有关系，相反当给i p m c 材料一个弯曲的时候，相应的在厚度方向也会产生一个电压差”。 i p m c 的致动机理比较复杂，涉及屯能、化学能和机械能的相互转换。目前致动机理还没有完 全定量的揭示出来，对于电场作用下1 p m c 的变形机理，目前具有代表性的是：水台阳离子的 运动机理、阳离子的静电力作用机理、外界金属电极和阴离子的库仑力机理。水台阳离子的运 动机理1 认为：在电场的作用下，i p m c 内部的阳离子会结合水分子形成水台阳离子，井向阴 极方向运动，这种运动过程形成了流体的压力梯度，造成了i p m c 的弯曲变形如图11 所示。 静电力机理“认为：阳离子在电场f 多数聚集在阴极附近，阳离子、闭离子相互之间的静电 力扣伸了阴极和阳极区域的i p m c ，导致了i p m c 向阳极弯曲变形，如图1 2 所示。外界金属 电极和阴离子的库仑力机理”认为：i p m c 表面镀上的金属层，会有一部分深 到离子膜的内 部，深度约为几微米。在旌加电压之后，正负电极分别与i p m c 的固定阴离子产生库仑力，阳 极的引力收缩了i p m c ，阴极的排斥力拉伸了 p m c ，因此i p m c 会发生弯曲变形，如图1 3 所 示。而对于i p m c 的传感机理“，一般认为i p m c 的传感机理与离子聚舍物内部可也离的群体 密切相关。在溶剂介质中这些群体分为位置固定的阴离子和可移动的阳离子。如果选用纯净水 作为溶剂介质当悬臂梁结构的i p m c 受到外力而弯曲变形时，薄膜伸展一侧水分子密度减小， 收缩侧水分子密度增加。这种不平衡的水分子青量使可移动的水合阳离子拄生移动薄膜内部 的电荷分布将发生相对于材料中性轴的变化，移动的离子晟终向电荷密度低的区域移动。从而在 伸展一侧出现负电荷不足、正电荷过量收缩一侧出现相反现象。这种现象导毁电荷两极化的发 生从而使薄膜两佃4 产生电压，如网1 4 所示。 ( a ) 初始状态下的i p m c ( h ) 加电压后的i 蹦c 图1 1 i p m c 的致动机理 聚蘑 南京航窜航天大学硕士学位论文 p 零厣鬻 协胡争瑁岳l 钿舟硎桕廿呼i 专亏i ；2 2 2 薯专专；享i 2 2 8 亳；亏亍 图12 阳离子之问以及阴离子的静电作用图13 金属电极和阴离子之间的静电作用 o v l 自m 十 目# 自目高于 # $ e 口m f 幽 4 i p m c 传感原理示意幽 i p m c 是种新型材料，同时具有压电陶瓷和生物肌肉的些特性。它的电致伸缩性与压电 陶瓷很相似，但是其变形量却要比压电陶瓷的变形量火得多最大可以达到2 1 5 ，这种人变形量 。j 生物肌肉很相似。表l1 列出了i p m c 、形状记忆台金( s m a ) 和电学陶瓷( e a c ) 的一些主要 性能，通过比较我们发现，兰种材料都有各自不同的性能，要因地制宜地选用所需的材料 表111 p m c 、s m a 和e a c 特性比较 性能 离子交换膜金属复台 形状记e 台金( s m a )电活性陶瓷( e a c ) 材料( p m c ) 位移( 8 短疲劳寿命 应力( 口a )约为7 0 0 响应速度微秒至秒秒至分微秒至秒 密度( 咖矗) 5 6 驱动电压 i p h c 人t 肌内材料的制备、理论建模与分析 功耗( w ) 韧性有弹性，恢复性有弹性弹性差易碎 好 i p m c 的优点：( 1 ) 寿命较长，响应速度快，怛) 体积小，质量轻，( 3 ) 产生大运动而不需要轴承和滑 动部件；h ) 驱动电压低；0 ) 类似于生物肌肉比例恒定的特性( 即尺度不变性，同样的尺寸产生的输 出样，而不同的尺寸产生的输出与其尺寸成比例) ，适用于微型装置；( 6 ) 无噪声，环保；( 7 ) 可以微型 化发展。 但是由于制造i p m c 过程中的一些a i 稳定固素，如电镀时的温度、还原剂的用量及其他一些 不可知或人为不可控的因素会导致不同i p m c 的表面容抗程难保持一致性，电致动性能就会有 很大的不问，这就导致i p m c 性能不易调节，在制成作动器后需要比较复杂的控制系统及反馈来 达到控制要求。 13 p m g 材料的研究进展 131 国外研究进展 i p m c 的发展可以追溯到1 9 3 9 年，巴登苯胺及袖化工厂股份公司的a d o l fd i e b o l d ，l u d w i g d 发明了在膜的表面快速沉淀层腔态化银的方法“，不过，这种方法形成的i p m c 的雏 形由于金属层和聚合物层之问容易脱离即使用物理裰镀的方式也无法解决此问题，所以金属 层不能实现作为电极的功能，随着技术发展，2 0 世纪7 0 年代初期初，l e v i n e 和p r e v o s t 等人” 运用氧化还原反席进行电镀解决了这个难题。 1 9 9 2 年o g u r o 、s h a h i n p o o r 1 、s a d e g h i p o u r 1 同时发现了i p m c 的电驱动特性。 1 9 9 9 年，旨在推动e a p 材料的发展美国国家航空和航天管理局( n a s a ) 的约瑟夫博士设 想了基丁e a p 材料的机械手臂的概念，并在第一届s p i e 年会删上提出了研发出e a p 人工肌肉 材料的机械手臂与人类进行扳手腕比赛的挑战( 如图15 所示) 。在2 0 0 5 年，第一次e a p 材料 机械手臂与人的扳手腕比赛【2 4 艋美国圣地亚哥举行，这次比赛作为s p i e 年会的一部分引起来 了1 | 界的关注，在参赛的三支e a p 手臂中，美国新墨西哥州立大学的s h a h ”p o o r 教授”5 帕i p m c 人工肌肉材料机械手臂持续的时间最长。2 0 0 6 年，举办了第二次e a p 材料机械手臂与人的扳 手腕比赛。虽然比赛均以e a p 材料的机械手臂失螋而告终，但是却极大的推动了e a p 材料的 糙展。 图15 约瑟夫博士提出e a p 材料机械手臂与人手扳手腕的设想 南京航空航天大学硕士学位论文 2 0 0 0 年，美国n a s a 航天中心的c h m i e l e w s k iab 和j e n k i n s ch ”把i p m c 膜运用在太空 探索里，例如用于收集装置上。美国j p l ( j e t p r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ) 实验室已用它做成类似于汽午 挡风玻璃刮雨器的刮尘器，以陈去探测器在火星执行任务时硬件装置上积累的灰尘，如图l6 所 不一 2 0 0 3 年，日本大阪的e a m e x 公司【2i 发明了一种会游泳的玩具鱼，如图17 所示，并且已经 成功进入了市场，这也是人造肌肉目前唯一进入市场的产品，引起了各国科研人员的广泛关注越 种玩具鱼完全依靠i p m c 的太变形产生动力，结构简单、价格便宜。 同年，韩国科学技术研究所的微型系统研究中心研制出了一种基于i p m c 的八脚作动器i ”l ， 如图i8 所示，总长65c m ，宽42 c m ，高i5 叨、总重为44 9 。其中，中间的主体部分( 长方形板) 长6 e r a , 宽3 e r a ，重36g ，每块膜长2 e m ，宽04e m ，厚o1 1 5c m 。作动器的驱动电压是4v 驱动频 率为08 h z 。每块膜产生的力人约为0 0 4 9 n ，所以总的力为03 9 2 n ，大约是自身重量的l o 倍。运 动速度为1 7r a m r a i n 。其最大特点是在水下工作，由此可见，i p m c 的性能特点使其能够运用在一 些特殊的机构和环境中使用。 图16 i p m c 人工肌肉材料制造的卫星表面除尘器图1 7 i p m c 材料研发的商业鱼 2 0 0 4 年，爱沙尼亚共和国m a r t a m o 一2 8 增人根据蝠鲼( 一种海鱼) 的运动原理，利用i p m c 人造 肌肉的仿生特性，以及低电压和丈位移的优点，设计了一种仿生作动器。基本结构如图1 9 和图 11 0 所示，中间平板3 5 m m 2 7 m m ，厚05 m m 。侧翼每块膜长5 0 m m ，下底宽1 2 一，上底宽3 m m ， 厚度在02 - 05 m m 之间，一共4 块。每块翼重15g ，机构总重量为96 9 ，在两组实验中运动速度 分别为3 m r 毗和9 m 毗，实物圈如图1 1 1 所示。 2 0 0 5 年日本东京技术研究中心的机构与控制部门的m a s a k i y a m n k i t a t ”1 等学者设计了一种 在水中工作的三关节蛇形作动器，如图11 2 所示，总重0 6 总长为1 2 0 m m ，镀层为金的i p m c 膜 两块每块长2 0 m m 宽2 m m 。驱动电压25 v 、08 h z , 两块膜的驱动电压相位相差9 0 。其基 本原理是利用i p m c 膜的摆动来带动泡沫与其一起运动，而水的粘性使其产生一个长轴为b ，短轴 为a 的椭圆应力场从而推动蛇形作动器运动。即水的反作用力的台力使其移动，在电压频率在 05 h z 时，速度可达8 m 刊s 。 崤 p m c 人工肌肉材料的制备、理论建模与分析 图1 1 0 蝠鲼机器人鳍图1 1 1 蝠鲼机器人实物图 理论模型建立的出发点源于i p m c 材料在作动和传感过程中的工作机理。目前国外有代表 性的理论模型是n c m a t n 弧s e r 的模型，他以n a t i o n 离子变换膜为研究对象，通过微观力学分析， 建立了i p m c 材料的物理化学模型。他认为n a t i o n 中的阳离子r 如n a * 、l i + ) 结合水分子会形 成水台阳离子，在外界电场的作用下，水合阳离子朝向电场的负极方向运动，而阴离子则固定 在n a t i o n 膜的主链上，因此导致了内部电荷密度的分布不均，静电力形成了内应力，造成了 i p m c 的弯曲变形。基于离子簇的模型( 如图l1 3 所示) ，圉中的主链部分是疏水基，而离子簇 是种亲水的基团可以吸收水分子和阳离于( 图中用m + 表示1 ，井与侧链上的明离子保持电荷 的平衡。外界对i p m c 施加变形后，内部的阳离子和阴离子的平衡被破坏，形成了电偶极子和 内部的电势场，从而产生了感应电信号实现了其传感功能。在上述假设条什f ，n e m a t - n a s s c r 给出的i p m c 的作动及传感的数学模型分别为： 警珂一2 = 吾c i c a v ，= 吾r t ，嘉a t 刮喾一窘，m - ， 缸2 r r 、 。 女 缸。、融4出2 其中，e 为外界屯场强度f 为离子交换膜中阴离子的浓度，r 为水台阳离子的摩尔体积， f 为法拉第常数，也为离子交换膜的介电系数，r 为气体常数，为绝对温度，为感席电动势， d 为电偶极子的位移。 在蛀近几年的i p m c 建模研究中，n e m a t - n a s s c r 提出的离子簇模型被不少研究者采用。k e v i n f a n l l l o l t 和z h c n c h e 分别以该模型为基础，建立了i p m c 的静态和动态的传感功能的理论 模型。新加坡南洋科技大学的l c iz h a n g m l 也借鉴该模型的建模方法，依据i p m c 人工肌肉内部 南京航空航天大学硕+ 学位论文 图11 2 三关节蛇形作动器图11 3 n a t i o n 膜中的离子簇结构示意图 的微观驱动机理，井根据i p m c 人工肌肉驱动器的动力学行为建立了一套比较完善的解析模 型，但是其主要是在理论阶段进行了比较系统的研究，对于工程实际的应用还有一定的距离 并分析了i p m c 在弹性支撑条件下的动态性能，并且分析了表面电极面积对作动性能以厦自由 端弯曲挠度的影响，从而将n e m a t - n a s s e r 的理论模型的适用范围进行了扩展。 除上述n e m a t - n 拈s e 离子簇模型外，另种具有代表性的论模型的研究是s a t o n t i t a d o k o r o a t l4 提出的动力学模型( 如图11 4 所示) 。他从阳离子和水移动过程中的动力学角度出 拄，认为1 个阳离子和若干个水分子结合后形成水台阳离子在电场的作用下水合阳离子会发 生迁移，这种迁移运动过程造成了水分子的运动。在水台阳离子迁移