Language
Country/Area
No result found
منذ عام 1880 وحتى اليوم: ما هو التطور المذهل للبوليمرات النشطة كهربائيا؟
البوليمرات الكهربائية النشطة (EAPs) هي بوليمرات يمكنها تغيير الحجم أو الشكل استجابة لتحفيز المجال الكهربائي. التطبيقات الأكثر شيوعًا لهذا النوع من المواد هي المحركات والمستشعرات. من الخصائص الجديرة بالملاحظة لـ EAPs هي أنها يمكن أن تتحمل التشوهات الكبيرة أثناء تعرضها لقوى كبيرة. في الماضي، كانت المحركات مصنوعة في الغالب من مواد كهرضغطية سيراميكية، والتي على الرغم من قدرتها على تحمل قوى كبيرة، إلا أنها غالبًا ما تتشوه بأقل من جزء واحد في الألف. وبحلول أواخر تسعينيات القرن العشرين، أظهرت الدراسات أن بعض محركات EAPs يمكنها تحقيق إجهادات تصل إلى 380%، وهو ما يتجاوز بكثير أي محرك سيراميكي. أحد التطبيقات المهمة للـEAP في مجال الروبوتات هو تطوير العضلات الاصطناعية، ولذلك غالبًا ما يشار إلى البوليمرات الكهربائية النشطة بالعضلات الاصطناعية.
تاريخيًا، بدأت دراسة البوليمرات النشطة كهربائيًا في عام 1880، عندما صمم فيلهلم رونتجن تجربة لفحص تأثير المجالات الكهروستاتيكية على الخصائص الميكانيكية للمطاط الطبيعي.
يتم تطبيق شحنة كهربائية من الهواء على شريط مطاطي ثابت في أحد طرفيه، ويتم ملاحظة التغير في طوله. في عام 1925، تم اكتشاف أول بوليمر كهربائي ضغطي (عازل)، وقد أرسى هذا البحث الأساس لمستقبل EAP. يتم تصنيع المادة عن طريق خلط شمع الكارنابا والراتنج وشمع العسل وتبريده تحت جهد تيار مستمر مطبق. وبمرور الوقت، أصبحت استجابة البوليمرات للظروف البيئية أيضًا محورًا لهذا المجال البحثي. في عام 1949، أظهر كاتشارسكي وآخرون أن ألياف الكولاجين تُظهِر تغيرات في الحجم في المحاليل الحمضية أو القلوية، مما أثار أيضًا أبحاثًا حول محفزات أخرى.
في عام 1969، أكد كاواي أن فلوريد البولي فينيلدين (PVDF) له تأثير كهربائي ضغطي قوي، مما أثار اهتمام الباحثين بتطوير بوليمرات أخرى ذات تأثيرات مماثلة.
في عام 1977، اكتشف هيديكي شيوكاوا وآخرون أول دفعة من البوليمرات الموصلة. ويمكن زيادة موصلية البولي أسيتيلين بمقدار ثمانية أوامر من حيث الحجم عن طريق التطعيم ببخار اليود. مع اختراع مركبات الأيونومر المعدنية (IPMCs) في أوائل تسعينيات القرن العشرين، دخل تطوير EAP مرحلة جديدة. تتطلب هذه المادة فولتًا واحدًا إلى فولتين فقط من الجهد لإنتاج التشوه، وهي ميزة تُظهر أن EAP تتمتع بإمكانات تطبيق أكبر.
في عام 1999، اقترح يوسف بار كوهان فكرة أذرع روبوتية EAP تتنافس مع البشر، وأقيمت المنافسة الأولى في مؤتمر عام 2005. في عام 2002، أنتجت شركة Eamex اليابانية أول جهاز عضلي اصطناعي تجاري لـ EAP، وهو عبارة عن سمكة يمكنها السباحة بشكل مستقل، مما أدى إلى تسريع تطوير EAP في التطبيقات العملية. ومع ذلك، فإن التقدم الفعلي للتكنولوجيات ذات الصلة لا يزال غير مرضي. وقد أدت الأبحاث التي مولتها وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة في تسعينيات القرن العشرين إلى إنشاء شركة للعضلات الاصطناعية في عام 2003 والإنتاج الصناعي في عام 2008.
أنواع البوليمرات النشطة كهربائيا
يمكن تقسيم المواد العازلة الكهربائية ببساطة إلى فئتين بناءً على بنيتها: العازلة والأيونية.
EAP العازل
في أجهزة الضغط الكهروستاتيكي العازلة، يحدث التشغيل عن طريق القوى الكهروستاتيكية بين الأقطاب الكهربائية. تتمتع الإيلاستومرات العازلة بالقدرة على تحمل إجهادات عالية للغاية وتتصرف مثل المكثف الذي تتغير سعته عند تطبيق جهد كهربائي عليه.
البوليمرات الكهرضغطية
تستخدم هذه الفئة من البوليمرات التأثير الكهرضغطي لإنشاء أجهزة استشعار صوتية ومشغلات حركية ولها مجموعة واسعة من التطبيقات بسبب استجابتها الكهرضغطية الجوهرية.
بوليمر البلوري السائل
يحتوي البوليمر البلوري السائل ذو السلسلة الرئيسية على بنية سلسلة، والتي يمكن أن تظهر خصائص ميكانيكية فريدة تحت التغيرات الحرارية ولها تطبيقات محرك ميكانيكي محتملة.
برنامج EAP الأيوني
يعتمد هذا النوع من البوليمر على إزاحة الأيونات داخل البوليمر، الأمر الذي يتطلب بضعة فولتات فقط ولكن طاقة كهربائية عالية نسبيًا.
اتجاه التطوير المستقبلي
في حين أن مجال برنامج مساعدة الموظفين لا يزال في طور التطور، لا تزال هناك العديد من التحديات التي يتعين معالجتها. من ناحية أخرى، فإن تحسين الأداء والاستقرار طويل الأمد لـ EAP وتصميم سطح مقاوم للماء لمنع تبخر الماء سيؤدي إلى تحسين موثوقيتها بشكل فعال في بيئات مختلفة. ومن ناحية أخرى، فإن تطوير أجهزة معالجة الطاقة الكهربائية المستقرة حرارياً لتحسين قدرتها على العمل بشكل مستمر عند جهد أعلى هو أيضاً أحد محاور البحث المستقبلية.
في ظل هذه الخلفية من التقدم المستمر، ستتاح لتكنولوجيا EAP الفرصة للتكامل في المزيد والمزيد من مجالات التطبيق في المستقبل، وخاصة على الواجهة بين البشر والآلات. مع تقدم علم وتكنولوجيا المواد، إلى جانب تطوير تكنولوجيا المحاكاة الحيوية، لا يسعنا إلا أن نتساءل عن نوع التغييرات المذهلة التي ستجلبها البوليمرات النشطة كهربائيًا في المستقبل؟
