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Neue Studie hilft zu erklären, das überraschende Verhalten von Tiny "künstlichen Muskeln"

Published on April 27, 2010 at 8:24 PM

Mit Neutronenstrahlen und Atom-Kraft-Mikroskopie, ein Team von Forschern an Universitäten arbeiten mit dem National Institute of Standards and Technology (NIST) kann eine 10-jährige Frage zu einem exotischen Klasse von "künstlichen Muskeln"-wie funktionieren sie gelöst haben ? Ihre Ergebnisse * könnte Einfluss auf die Gestaltung der Zukunft spezialisierten Roboter-Tools.

Diese "künstliche Muskeln", die erstmals in den frühen 1990er Jahren gezeigt hat, sind "ionische Polymer-Metall-Verbund" (IPMC) Aktoren, einer dünnen Polymerschicht Streifen auf beiden Oberflächen mit leitendem Metall verchromt. Die Grundeinheit des Polymers Molekül hat eine geladene Komponente befestigt, um es (daher "ionische"), und es bildet sich eine Art offene, durchlässige Struktur, die mit Wassermolekülen und entgegengesetzt geladenen Ionen getränkt werden können. Eine bescheidene elektrische Ladung über die metallisierten Flächen bewirkt, dass der Streifen in eine Richtung flex, eine alternierende Gebühr wird es wackeln wie ein Fischschwanz. Aber warum?

Bewegt Muskel: IPMC Antrieb Biegen unter einer angelegten elektrischen Spannung. Da die Polarität des 3-Volt-Potential geschaltet ist, der Antrieb beugt sich vor und zurück. Credit: R. Moore, Virginia Polytechnic Institute and State University

"Es gab eine große Debatte über den Mechanismus der Betätigung in dieser Art von Systemen", sagt NIST Materialien Wissenschaftler Kirt Seite. Eine Möglichkeit war, dass die elektrische Ladung auf der metallisierten Flächen des Polymers und der freien Ionen, sich neben dem Metall umorientieren, Stretching der einen Seite und Vertragspartner der anderen Ursachen. Aber mit einem Neutronenstrahl am NIST Center for Neutron Research (NCNR) zu einem IPMC in Aktion zu sehen, wie sie hin und her wackelte, fand das Team etwas ganz anderes. Neutronen sind besonders gut für die Zuordnung der Positionen der Wassermoleküle, und sie zeigten, dass eine große Kraft in den Antrieb der Hydraulik ist. "Das Wasser und Ionen bewegen sich die eine Elektrode Schwellung der einen Seite und Dehydratisierung der anderen, was die zu Vertrag, und es beugt sich in diese Richtung", erklärt Virginia Tech Professor Robert Moore, der die Studie geleitet. "Dann sind Sie das Potenzial Flip, kommen die Ionen schreiend zurück-positive Ionen wieder in Bewegung in Richtung der neuen negativen Elektrode und können hin und her gehen."

Es kommt überraschend schnell, je nach Seite. "Die Leute waren nicht ganz überzeugt, dass das Wasser könnte tatsächlich über diese Distanzen, die sich schnell bewegen", sagt er, "Dieses Papier ist die erste zu zeigen, dass in der Tat, dieses Gefälle in der Wasserkonzentration fast augenblicklich hergestellt wird."

Ein besseres Verständnis davon, wie IPMC Aktoren Arbeit könnte den Forschern erlauben, bessere Materialien dieser Art mit verbesserter Leistung Ingenieur. Aktuelle Aktoren können klein und leicht, und sie können flex über relativ große Entfernungen, sondern die Kraft, die sie erzeugen kann, ist gering, so dass diese "Muskeln" sind nicht sehr stark, je nach Moore. Sie in mikrofluidischen Systemen könnte als Pumpen oder Ventile verwendet werden, als winzige Roboter Greifer in Anwendungen, bei denen andere Aktoren sind unpraktisch oder sogar, sagt Moore, "als tatsächliche künstliche Muskeln in lebenden Geweben. Ich denke, wir sind immer noch in den Kinderschuhen der Verwendung von diesen. Es gibt noch eine ganze Reihe von Details über den Mechanismus, den wir brauchen, um zu entriegeln. "

* JK Park, PJ Jones, C. Sahagun, KA Page, DS Hussey, DL Jacobson, SE Morgan und RB Moore. Elektrisch stimuliert Gradienten in Wasser und Gegenion Konzentrationen innerhalb elektroaktive Polymer Aktoren Soft Matter. 2010. 6. 1444-1452. DOI: 10.1039/b922828d.

Last Update: 7. October 2011 06:57

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