研究人员研发的新型软聚合物致动器皮肤具有自感知能力

前言

具有稳定致动而没有背部松弛的聚合物致动器在生物医学应用中是非常必要的，例如在外科手术、心脏监测、心脏测量带和软生物测定机器人中。离子聚合物-金属纳米复合材料(IPMNC)属于离子电活性聚合物的范畴，包括离子凝胶和导电聚合物。与其他离子电活性聚合物相比，IPMNC在柔韧性和在1伏至5伏的低电压下的高致动性方面具有许多优势。随着低电压(1伏至5伏)的施加，金属阳离子浸渍的IPMNC带由于阳离子和水分子从一个电极表面移动到另一个电极表面而显示出位移。IPMNC的位移称为驱动。自感知离子软致动器和柔性内窥镜导管需要软IPMNC致动器来检测相应的身体器官、心脏辅助装置、主动导丝系统、人造肌肉、人造触摸手指。

研究内容

三元共聚物弹性体(不含聚电解质和离子液体)被用作弹性致动器，其需要非常高的电压(7 MV/m)并且表现出低致动。三元共聚物离子致动器皮肤迄今为止还没有关于致动和自感知现象的报道。因此，有必要研究和设计三元共聚物IPMNC致动器外壳，以实现稳定的致动和自感知现象。在印度的研究人员提出的IP中，开发了一种通过制造三元共聚物IP来克服低吸水性和脆性问题的策略。三元共聚物中氯原子的存在产生了大的空间位阻，导致更高的极化和高偶极矩，这改善了三元共聚物与聚乙烯吡咯烷酮和PSSA的分子间氢键。三元共聚物IP的改进的氢键增加了孔隙率，包括高吸水性、低杨氏模量和高拉伸应变，导致三元共聚物IPMNC产生稳定的驱动位移和自感知。

实验方法

三元共聚物IPs是使用溶剂浇铸法开发的。采用组合工艺合成离子膜溶液，包括粉末形式的三元共聚物、聚乙烯吡咯烷酮和液体形式的PSSA以及二甲基甲酰胺。搅拌聚合物混合物溶液后，将其浇铸在玻璃培养皿中，并在烘箱中加热以蒸发溶剂。在从玻璃培养皿上剥离干膜后，为了提高铂纳米粒子电极在电解质上牢固结合的表面密度，使用砂纸对干电解质进行粗糙化。之前，他们已经优化了三元共聚物IP的30/15/55混合比，与35/15/50和25/15/60的其他混合比相比，该混合比在最大质子传导率和具有最佳吸水值的IEC方面描述了最佳的物理化学性质。因此，选择了三元共聚物IP的30/15/55离子聚合物比例用于IPMNC，以与聚偏氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯IPMNC的30/15/55离子聚合物比例进行比较。高孔隙度产生于激电。

三元共聚物IPMNC组分之间相互作用的示意性结构。

纯聚合物的介电常数和各种聚合物的阻抗分析。

三元共聚物IP的拉伸性能。

Norm.三元共聚物 IPMNCs随时间的变化情况。

结论

研究人员使用三元共聚物IPMNC开发了柔软的聚合物致动器外壳，用于稳定的致动和各种电解质的自感知。与聚偏氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯诱导多孔聚合物相比，三元共聚物的高多孔性、增强的吸水性、低杨氏模量和拉伸应变。三元共聚物IP的高度多孔性有助于IPMNC外壳稳定驱动和自生成信号。发现聚偏氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯异戊二烯均聚物在常态下表现出背松弛。DC电压下的位移和驱动力。在交流电压为1 V、频率为0.5 Hz的条件下，三元共聚物IPMNC的稳定驱动持续了2200个周期，而聚偏氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯IPMNC在交流电压为1 V的条件下表现出不规则的驱动行为。由于三元共聚物的高孔隙率，与聚偏氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯互穿网络相比，三元共聚物互穿网络在氯化钠电解质中显示出稳定的自生高压信号允许阳离子和阴离子向电极大量扩散。DC和交流电压为1 V的高稳定激励特性和较软聚合物激励器皮肤的自感知特性，可适用于人体出汗条件下的柔软生物测定机器人、可穿戴能量收集和离子热电装置。

https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112277。