6、基于离子聚合物 - 金属复合材料的运动传感器和执行器

基于离子聚合物 - 金属复合材料的运动传感器和执行器

1 引言

在机器人、测量和生物医学等多个研究领域，人们一直在寻找新型材料。目前市场上用于实现运动系统的大多数材料既刚性又高能耗。因此，寻找能够模拟生物组织运动的创新材料的需求日益凸显。离子聚合物 - 金属复合材料（IPMC）似乎是满足这些需求的答案。

IPMC 也被称为人造肌肉，因为它在低电压刺激（几伏量级）下能够产生较大的弯曲变形。此外，IPMC 还具有可逆性：当受到机械变形时，它会在其厚度方向上产生电压，因此也可用作运动传感器。这种独特的材料能够实现感知和驱动两个重要功能，而且它轻便柔软，运行时噪音极小。然而，由于缺乏制造该材料的合适技术以及能够完整描述其机电行为的模型，这些特性尚未得到充分发挥。

接下来将对 IPMC 进行概述，介绍其表征的初步结果，并描述为收集建模所需数据而设计的测量仪器和工具。

2 IPMCs 基础

2.1 IPMC 结构

典型的 IPMC 样品是一种薄的离子聚合物膜，通常厚度为 200 µm，两侧覆盖有金属层作为电极，金属沉积厚度在 5 µm 至 10 µm 之间。聚合物基体可以是杜邦公司的 Nafion（全氟磺酸盐）或旭硝子公司的 Flemion（全氟羧酸盐），为避免氧化现象并提高电极性能，通常使用贵金属（如铂或金）。

2.2 Nafion 分子结构

Nafion 分子的结构公式如下：
[(CF₂CF₂)ₙCFCF₂]ₓ
|
(OCF₂CF)ₘOCF₂CF₂SO₃H
|
CF₃

离子聚合物（如 Nafion）具有可电离