導入
電気活性ポリマー、または EAPS (電気活性ポリマー) は、電場によって刺激されると形状やサイズが変化するポリマーです。このタイプの材料の主な用途は、アクチュエータとセンサーの製造です。 EAP の興味深い特性は、大きな力だけでなく、大きな変形も可能であることです。現在のアクチュエータの大部分は圧電セラミックで作られています。これらの材料は確かに非常に大きな力を生み出すことができますが、その変形範囲は数パーセントを超えません。 1990 年代に、特定の EAP は 380% の変形が可能であることが実証されました。これは、現在使用されているどのセラミックよりもはるかに優れています。 EAP のもう 1 つの用途は、ロボット工学の開発や人工筋肉の開発です。 EAPクランプの動作を図 1 に示します。
EAPの歴史
EAP の研究は 1880 年代に始まり、ヴィルヘルム レントゲンは輪ゴムの機械的特性に対する電流の影響をテストする実験を作成しました。輪ゴムを一端に取り付け、もう一端に大ハンマーをぶら下げました。弾性体に電場を印加して、印加電流の関数としてその長さの変化を研究しました。 Sacerdote は、1899 年に理論化された、印加電場の関数としての弾性体の応力応答に関する理論を提案することで、レントゲンの実験を深めました。最初の圧電ポリマー(エレクトレット) が発見されたのは 1925 年代になってからでした。エレクトレットは、カルナバ ワックス、ロジン、蜜蝋を混合し、分極するために直流電圧を加えながら混合物を冷却することによって形成されました。材料は固化して圧電特性を持つポリマーになりました。
電場以外の刺激に応じて特性が変化するポリマーは、この研究分野の一部です。 1949 年に、カチャルスキーら。アル。は、酸またはアルカリ溶液に浸したコラーゲンフィラメントが体積に大きな変化を示すことを実証しました[2]。コラーゲンフィラメントはアルカリ性溶液中で収縮し、酸性溶液中で弛緩します。他の刺激 (pH 変動など) もテストされていますが、電気活性ポリマーは複雑な生物学的システムを模倣するための最良の候補であるため、研究は電気活性ポリマーに重点を置いています。
大きな進歩が見られたのは 1960 年代になってからです。 1969 年に、カワイはポリフッ化ビニリデン (PVDF) が非常に重要な圧電効果を示すことを実証することができました [2]。この素晴らしい発見により、PVDF と同様の特性を持つポリマーの探索が可能になりました。 1977 年に、最初の導電性ポリマーが白川英樹らによって発見されました [3]。白川教授は、アラン・マクダーミッド氏およびアラン・ヒーガー氏と共同で、ポリアセチレンが導電性であり、これにヨウ素蒸気をドープすることで導電率を8桁増加させることが可能であることを実証した。その導電性は金属に匹敵します。 1980 年代以降、導電性または圧電特性を持つポリマーが多数発見されました。
1990 年代の初めに、金属イオン複合ポリマー (IPMC) が開発され、最初の EAP よりもはるかに優れた電気活性特性を示しました。 IPMC の主な利点は、1 または 2 ボルト未満の電気励起後に変形を示すことです[2]。
