| 離子聚合物-金屬復合物發展綜述
彭瀚曼，楊淋，李華峰，趙淳生
(南京航空航天大學，江蘇南京210016)
摘要：介紹了一種新型智能材料——離子聚合物金屬復合物，概述了其特性和致動機理，引述了離子聚合物-金屬復合物在微特作動器中一些應用實例，最后展望了離子聚合物一金屬復合物在未來的發展前景。
0 引 言
離子聚合物一金屬復合物(10nic Polymer-MetaI composite，簡稱IPMc)是人工肌肉的一種，屬于離子型EAP(electroactive polymer)范疇，也稱為離子型人工肌肉。它在仿生機械中是一類最基本的驅動器與傳感器，是一種柔順裝置。IPMc的形態類似于一塊薄金屬片，原料可以是DuPont公司的NafionTM膜，也可以是日本的Flemion膜和selemion膜，然后在膜的兩側面鍍上電極(如鉑Pt、金Au等貴金屬)可得IPMc膜。在電極上加上低電壓(1～7v)可以使它產生一定的彎曲變形，從而構成作動器；而如果不加電壓，只加純機械載荷(彎矩)可以使膜上下表面產生電位差，則構成柔性傳感器。IPMc為人們制造具有肌肉性能的作動器和傳感器提供了可能，其驅動電壓低、柔度高、響應迅速、位移大、產生的力是自身重力的好幾倍，所以運用IPMc制作的作動器非常容易微型化，有利于仿生學的發展，目前適用于醫療器械(如人造心臟、人造眼球、人造皮膚)、太空探索、微型機器人、MEMs和娛樂等諸多領域。
IPMc的發展可以追溯到1939年，人們發明了在膜的表面快速沉淀一層膠態化銀的方法。不過，這種方法形成的IPMc的雛形由于金屬層和聚合物之間容易脫離，所以金屬層不能實現作為電極的功能。隨著技術發展，20世紀70年代初，Levine和Prevost等人運用氧化還原反應進行電鍍，解決了這個難題。1992年Oguro、shahinpoor、sadeghipour同時發現了IPMc的電驅動特性。1999年召開第一屆關于EAP的國際會議以及開展用EAP驅動的機械手與人手進行力量比賽后，包括美國、日本、韓國在內的多個國家研究機構和企業都對IPMc進行了全面研究，2000年以后這項技術得到了長足發展，有了許多各種各樣的新型作動器，比如蝠鲼型作動器、8腳作動器和蛇形作動器等。
1 IPMc的致動機理和特性
l 1 IPMC的致動機理
IPMc的致動機理如圖l所示。在兩電極上施加電壓后，材料中本來平均分布的陽離子在外加電場的作用下向陰極聚集。同時膜內陽離子(Na、Li)等親水性很強，它們移動時，帶動水分子一起移動到了陰極附近，從而在膜的一側形成一個很薄(小于10μm)的邊界層，IPMc膜負極側溶脹，產生壓力差，密度大的地方向密度小的地方彎曲，即膜向陽極彎曲，從而導致形變。
如果通直流電，彎曲后，薄膜會逐漸恢復原狀(不同離子的恢復方向和程度都有不同。)；如果通一定頻率的交流電，薄膜會產生擺動。
反之，膜受外力而變形，將在電極間產生電勢差。這是因為膜的變形使膜內外部的纖維膨脹，內部的壓縮(如圖2所示)，這就導致膜的纖維內產生應力梯度。又因為膜內的陰離子固定在聚合物內的纖維中不能自由移動，而陽離子是可以移動的，所以膜內的陽離子朝密度小的區域運動，使電極間產生電勢差。IPMc的這種傳感性能最早是由sadeghipour等人提出的，后來shahinp00r進行了深入的研究，并取得了一定的成果。這種特性使得IPMc在MEMs中有著巨大的發展潛力。
電壓的大小直接影晌膜的形變量和驅動力的大小。當電壓較低時，由于膜內部電阻和表面阻抗的存在，TPMc的運動幅度很�。寒旊妷荷邥r，膜內離子遷移的速度和遷移量增加，薄膜的形變量和力同時增大；當膜內離子分布形成的電場與外加電壓形成的電場達到平衡時，薄膜的形變****。此外，IPMc膜的形變量還與外加電壓的頻率有關。由于IPMc膜內水合陽離子遷移速度的限制，遷移需要一定的時間，因此IPMc膜在低頻電場作用下才能產生較大的位移。
膜內陽離子種類對膜的位移量影響也很大，因為離子不同，膜的內阻和膜的硬度也不同，這些因素都會導致膜的致動性不同。例如Masaki Yamakita的蛇形作動器用不同的離子(Na、cs、TEA)進行位移和速度的對比，如圖3、圖4所示。
除上述影響因素外，還有一個重要因素就是膜的厚度。如圖5所示，設一塊IPMc膜長為L1、自由運動部分長為L，寬為W，厚為日，頂端變形位移為u(即****撓度)，F為IPMc膜頂端當量支撐力。IPMc膜在較大范圍內的變形可以近似地認為是線性的，所以可以把它看成懸臂梁。由材料力學的知識可知膜末端撓度u為：
式中：M為變形****時的力矩，I為轉動慣量。把式(2)代入式(1)，得：
由式(3)可以看出，IPMc的性能與厚度有很大的關系。同樣的位移u，力與厚度是三次方的關系，即其他參數都不變的情況下厚度增加一倍，力就大了三倍。因此有學者制作了4 mm厚的IPMc膜，如圖6所示，其驅動力可達200 g。
1 2IPMc的特性。
IPMc是一種新型材料，同時具有壓電陶瓷和生物肌肉的一一些特性。它的電致伸縮性與壓電陶瓷很相似，但是其變形量卻要比壓電陶瓷的變形量大得多，****可以達到百分之二百一十五，這種大變形量與生物肌肉很相似。表l列出了IPMc、形狀記憶合金(sMA)和電學陶瓷(EAc)的一些主要性能，通過比較我們發現，三種材料都有各自不同的性能，要因地制宜地選用所需的材料。
IPMc的優點：
(1)壽命較長，響應速度快；
(2)體積小，質量輕；
(3)產生大運動而不需要軸承和滑動部件；
(4)驅動電壓低；
(5)類似于生物肌肉比例恒定的特性(即尺度不變性，同樣的尺寸產生的輸出一樣，而不同的尺寸產生的輸出與其尺寸成比例)，適用于微型裝置；
(6)無噪聲，環保；
(7)可以微型化發展。
但是，由于制造IPMc過程中的一些不穩定因素，如電鍍時的溫度、還原劑的用量及其他一些不可知或人為不可控的因素，會導致不同IPMc的表面容抗很難保持一致性，電動性能就會有很大的不同，這就導致IPMc性能不易調節，在制成作動器后需要比較復雜的控制系統及反饋來達到控制要求。目前，shahinpoor等人從1992年開始研究IPMc的傳感器開始，已取得了一些成績。
l 3IPMc的制作工藝
從20世紀90年代開始，日本的Keisuke Oguro和美國的shahinpoor M等都有很深入的研究，也取得了重要的研究成果，總結出了一套比較完善的制作方案。但是，IPMc的制作工藝仍然是當前研究的熱點之一，需要更進一一步提高其輸出力和動態響應特性，以及提高其耐久性。目前，美國MIT、新墨西哥大學、日本東京大學、韓國漢陽大學、香港城市大學、新加坡南洋理工大學以及臺灣成功大學等都在積極展開相關研究工作。研究發現，IPMc膜對不同的離子，在相同電壓驅動下的輸出力及變形量是不同的，其中以Li和Na的效果最為顯著。實驗表明，IPMc表面電阻的大小與IPMc的輸出能力有密切關系，而IPMc表面電阻的大小又與其表面電極制造工藝密切相關。制作IPMc主要流程如圖7所示。
(1)把買來的DuPom公司的Nafion膜溶液倒人器皿中，存放幾天，待其干燥。
(2)把]NailonTM膜從器皿中取出。
(3)熱處理一般是加熱到loo℃，再退火處理。
(4)化學鍍過程是把Pt鍍到NafionTM膜表面，完成IPMc的制作(這部分很復雜也很關鍵，電極Pt層的厚度和致密性直接影響IPMc膜的性能，除化學鍍外，還可用電鍍的方法)。
2 IPMc作動器的現狀
用IPMc構造機械裝置是推廣應用這種材料的有效也是關鍵的方法。由于IPMc是一種柔性的材料，可使傳統的剛性機械裝置的結構得到簡化，例如彎擺運動在傳統機械中往往需要有銷軸，而用IPMc則根本無須銷軸就可十分簡單地實現彎擺運動。目前的IPMc輸出位移(應變)很大，但輸出力尚不夠大，如何通過巧妙的機構設計，達到增力的目的，亦是值得關注的。IPMc機械裝置的“封裝”依舊是一個難題，尤其在MEMS器件中問題更加突出。
近十幾年來，在如何應用IPMc這種人工肌肉這方面人們做出了很多嘗試，其中有些方法已經取得lr初步的成功，并研制出了各種各樣的基于IPMc的作動器。20世紀90年代以來，人們發現IPMc的柔性非常適用于新一代的醫療器械和康復器械。醫療器械中以IPMc制造的微泵微閥與微電子元件結合，可組成糖尿病人胰島素自動給藥系統，實現對病人定時、定量給藥；基于IPMc制作的柔順內窺鏡(例如喉鏡、胃鏡等)驅動機構，可顯著減少病人的傷痛；IPMc還可用于微創手術用體內器械的運動控制。例如心導管手術是治療心血管疾病的微創傷手術，目前使用的器械需要通過抽換導引線才能進入冠狀動脈等部位，手術操作復雜，容易發生事故。用IPMc這種人工肌肉制造主動控制心導管，就可方便地完成上述復雜的手術操作，且由于IPMc人工肌肉機構的柔順性，可大大減輕病人手術過程中的傷痛。利用IPMc人工肌肉的柔順性及其大變形和低電壓驅動的特長，可構造爬蟲式仿生機器人，通過微創手術或直接導人血管、氣管或腸道，實現內病灶檢測或定點微治療，包括微切除手術或定點、定量給藥。
可穿戴機器人(wearable Robot)是當前特種機器人發展的一個重要方向，美國加州大學貝克利分校近年來展開了許多開創性的研究，其主要目標是為裝備下一代的特種步兵。顯然可穿戴機器人的概念完全可拓展到康復器械。例如指殘病人如能戴上IPMc人工肌肉制作的主動控制手套，就可以自如地抓握東西，當然這需要很大的力，目前還很難滿足。這里介紹一種用IPMc制成的抓物器，如圖8所示，它由4個手指組成，每個手指是一塊IPMc人工肌肉，對每塊IPMc施加合適的電壓，從而控制夾鉗模擬機器手的動作。每塊膜重O．1 g，在5 V、25mw時就能舉起10．3 g的物體，如果能夠提高機器手的承重，那么它的應用領域將更為廣泛。
IPMc人工肌肉在工業上也大有用武之地。日本Eamex公司開發成功了用于手機相機模塊的光學式手抖動補償致動器。與此前的電磁式致動器相比，不僅薄，而且構造簡單、成本低、耗電少。試制品的外形尺寸為厚1．5 mm，直徑14 mm，中心部分配有鏡頭座。支持鏡頭座的離子交換樹脂伸縮時，鏡頭傾斜。將這種鏡頭的傾斜與攝影者的手抖動聯系起來就可以避免照片的畫質降低。光學式手抖動補償機構的傾斜范圍****±2. 9o，速度****為14. 13o／s，能滿足光學部件廠商的要求。耗電為15～35mw，驅動電壓為±4 V。IPMc人工肌肉還可制造微閥陣列，用于微分析系統液流的控制。
2000年，美國NAsA航天中心的chmielewskiAB和Jenkins cH把IPMc膜運用在太空探索里，例如用于收集裝置上。美國JPL(Jet Pmpulslon Laboratory)實驗室已用它做成類似于汽車擋風玻璃刮雨器的刮塵器，以除去探測器在火星執行任務時硬件裝置上積累的灰塵，如圖9所示。
2001年，韓國sungkyunkwan大學的KwangmokJung等人根據生物肌肉的原理制作了一臺直線型人工肌肉電機。
2003年，日本大阪的Eamex公司發明了一種會游泳的玩具魚，并且已經成功進入了市場，這也是人造肌肉目前****進入市場的產品，引起了各國科研人員的廣泛關注。這種玩具魚完全依靠IPMc的大變形產生動力，結構簡單、價格便宜。
同年，韓國科學技術研究所的微型系統研究中心研制出了一種基于IPMc的八腳作動器，如圖11所示，
總長6．5 cm，寬4. 2cm，高l. 5 em，總重為4．4g。其中，中間的主體部分(長方形板)長6cm，寬3cm，重3. 6 g，每塊膜長2cm，寬O. 4 cm，厚0．115 cm。作動器的驅動電壓是4 V，驅動頻率為O．8 Hz，每塊膜產生的力大約為O．049 N，所以總的力為O．392 N，大約是自身重量的10倍。運動速度為17 mm／mln。其****特點是在水下工作，由此可見，IPMc的性能特點使其能夠運用在一些特殊的機構和環境中使用。
其運動機理如圖12所示。先給一側的IPMc膜通電，IPMc膜發生變形，不通電的沒有變形，作動器由狀態l變為狀態2，并且向右移動。然后給已通電的膜斷電，再給其余的膜通電，使右側的IPMc膜變形(狀態3)，作動器位置不變。等到左側的膜恢復原來狀態，右側的膜變形達到****，作動器位置仍不變(狀態4)。當右側的膜恢復原來的狀態時，由于左側的膜懸空，作動器右移(狀態5)。
運動中左右兩邊IPMc膜的相位差要調好，這樣才能平穩的運行。
2004年，愛沙尼亞共和國Man Anton等人根據蝠鲼(一種海魚)的運動原理，利用IPMc人造肌肉的仿生特性，以及低電壓和大位移的優點，設計了一種仿生作動器。基本結構如圖13和圖14所示，
中間平板35 mm×27 mm，厚O. 5 mm。側翼每塊膜長50 mm，下底寬12 mm，上底寬3 mm，厚度在0. 2～0．5 mm之間，一共4塊。每塊翼重1．5 g，機構總重量為9．6 g，在兩組實驗中運動速度分別為3 mm／s和9 mm／s，實物圖如圖15所示。
圖16為側翼上兩塊IPMc上的驅動電壓圖線，實線是其中一塊的驅動電壓，虛線是另一塊的驅動電壓。當驅動電壓加在IPMc的接觸器上時，每塊IPMc在交流電作用下會上下擺動。由于電壓相位相差90o，所以連接在IPMc之間的塑料薄膜在水中運動時會產生s型運動來推進作動器的向前運動。這種運動非常類似于蝠鲼的運動。實驗中IPMc在水中以每秒1／4自身長度的速度移動了6倍于自身重量的物體，由此可見，其特性使其很可能代替人在一些危險性高的地方工作。
2005年，日本東京技術研究中心的機構與控制部門的Masaki Yama kita等學者設計了一種在水中工作的三關節蛇形作動器，如圖17所示，
總重O. 6 g，總長為120 mm，鍍層為金的IPMc膜兩塊，每塊長20 mm，寬2 mm。驅動電壓2．5 v、0. 8 Hz，兩塊膜的驅動電壓相位相差90o。其基本原理是利用TPMc膜的擺動來帶動泡沫與其一起運動，而水的粘性使其產生一個長軸為6，短軸為a的橢圓應力場，從而推動蛇形作動器運動。即水的反作用力的合力使其沿如圖1 8所示的運動方向移動，在電壓頻率在0. 5 Hz時，速度可達8 mm／s。
3展望
綜上所述，IPMc的應用正在蓬勃發展，2006年APEc會議期間，由人工肌肉制作的仿愛因斯坦臉形(人工皮膚)的機器人與美國總統布什握手，這表明了當前的人工肌肉發展現狀及成就。然而，在IPMc大量運用之前還有大量的問題得不到解決，還有大量工作需要人們來研究。例如IPMc材料的力學性能和控制性能還有待大幅提高，還有太空環境中的高低溫問題都是需要更多的人參與其中，進行更深層次的研究。不過，IPMc的應用領域是如此的廣泛，這是由它的特性所決定的，不會因為目前的困難所阻止。它的研究領域涵蓋材料學科，機械學科，電子學科以及控制學科，要想大力發展IPMc的應用，就需要大量各方面人員共同努力，相信在不遠的將來IPMc這種材料的運用必會在我國乃至世界得到迅猛發展。 |
