Electromechanical modelling and control of ionic electroactive polymer actuators

Ioonsed elektroaktiivsed polümeerid e. tehislihased on polümeermaterjalid, mille oluline iseärasus on võime muuta elektrienergiat mehhaaniliseks energiaks. Elektroaktiivsetest polümeeridest valmistatud pehmetel täituritel on mitmed huvipakkuvad omadused, näiteks suur deformatsioon madala rakendatud pinge korral, märkimisväärne tekitatud jõu ja massi suhe ning võime töötada nii vesikeskkonnas kui õhus. Niisuguste täiturite kasutamine on paljutõotav eriti just miniatuursetes elusloodusest inspireeritud robootikarakendustes. Näiteks võib tuua aktiivsed mikro-manipulatsioonisüsteemid või isepainduvad pehmed kateetrid, mis on iseäranis nõutud meditsiini-tehnoloogias. Käesoleva väitekirja uurimissfääriks on sellistest materjalidest valmistatud täiturmehhanismide modelleerimine, valmistamine ja juhtimine, päädides sisuliselt ühes tükis valmistatud mitme vabadusastmega paralleelmanipulaatorite väljatöötamisega. Kasutades kompleksset füüsikalistel, elektrokeemilistel ning mehaanilistel alusteadmistel põhinevat mudelit kirjeldatakse ja ennustatakse sellist tüüpi täiturmehhanismide elektrilise sisendi ja mehhaanilise väljundi vahelisi seoseid. Mudel kirjeldab ioonide transpordi dünaamikat elektriväljas, kombineerides Nernst-Plancki ja Poissoni võrrandeid. Mitmekihilise polümeermaterjali mehhaaniline käitumine on seotud laengu- ja massitasakaalu poolt põhjustatud eri kihtide erineva ruumilise paisumisega ja kahanemisega. Kõike seda kokku võttes ning rakendades numbrilist modelleerimist lõplike elementide meetodil saadakse kvantitatiivsed tulemused, mis suudavad prognoosida täiturmehhanismi käitumist ja võimaldavad projekteerida, simuleerida ja optimeerida ka neil täituritel põhinevaid keerulisemaid mehhanisme. Koostatud mudeli valideerimiseks modelleeriti ja valmistati kaks tööpõhimõtteliselt sarnast, kuid erinevatel elektroaktiivsetel polümeermaterjalidel põhinevat ning eri metoodikatel valmistatud mitmest täiturist koosnevat mitme vabadusastmega mikromanipulaatorit. Väitekirjas demonstreeritakse, et koostatud mudel on suure täpsusega võimeline ennustama nii iga individuaalse täituri kui ka mõlema manipulaatori käitumist. Demonstreerimaks piisksadestusprintimismeetodil valmistatud manipulaatori efektiivsust, kirjeldatakse kahte erinevat kontrollrakendust. Esmalt näidatakse tagasisidestamata kontrollitavat seadet, kus pööratakse nelja täituri abil peeglit, suunates laserikiirt X-Y tasapinnas ettemääratud punktidele. Teiseks näidisrakenduseks on tagasisidestatud kontrollmetoodikaga juhitav mikroskoobi preparaadiliigutaja, mille abil saab preparaati nii tõsta-langetada kui ka pöörata. Manipulaatorite valmistamise käigus leiti, et piisksadestusprintimise meetodi täpsus, jõudlus ja skaleeritavus võimaldavad suure tootlikkusega valmistada identseid keerulisi mitmeosalisi manipulaatoreid. See tulemus näitab ilmekalt uue tehnoloogia eeliseid traditsiooniliste valmistamisviiside ees.

Author

• Nakshatharan, S. Sunjai

• elektroaktiivsed polümeerid
• ioonjuhtivus
• intelligentsed materjalid
• täiturid
• manipulaatorid
• modelleerimine (teadus)

Identifier

hdl:10062/64832

OAI identifier oai:identifier

oai:dspace.ut.ee:10062/64832