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离子聚合物-金属复合物发展综述 彭瀚曼，杨淋，李华峰，赵淳生 (南京航空航天大学，江苏南京210016) 摘要：介绍了一种新型智能材料——离子聚合物金属复合物，概述了其特性和致动机理，引述了离子聚合物-金属复合物在微特作动器中一些应用实例，最后展望了离子聚合物一金属复合物在未来的发展前景。 0 引 言 离子聚合物一金属复合物(10nic Polymer-MetaI composite，简称IPMc)是人工肌肉的一种，属于离子型EAP(electroactive polymer)范畴，也称为离子型人工肌肉。它在仿生机械中是一类最基本的驱动器与传感器，是一种柔顺装置。IPMc的形态类似于一块薄金属片，原料可以是DuPont公司的NafionTM膜，也可以是日本的Flemion膜和selemion膜，然后在膜的两侧面镀上电极(如铂Pt、金Au等贵金属)可得IPMc膜。在电极上加上低电压(1～7v)可以使它产生一定的弯曲变形，从而构成作动器；而如果不加电压，只加纯机械载荷(弯矩)可以使膜上下表面产生电位差，则构成柔性传感器。IPMc为人们制造具有肌肉性能的作动器和传感器提供了可能，其驱动电压低、柔度高、响应迅速、位移大、产生的力是自身重力的好几倍，所以运用IPMc制作的作动器非常容易微型化，有利于仿生学的发展，目前适用于医疗器械(如人造心脏、人造眼球、人造皮肤)、太空探索、微型机器人、MEMs和娱乐等诸多领域。 IPMc的发展可以追溯到1939年，人们发明了在膜的表面快速沉淀一层胶态化银的方法。不过，这种方法形成的IPMc的雏形由于金属层和聚合物之间容易脱离，所以金属层不能实现作为电极的功能。随着技术发展，20世纪70年代初，Levine和Prevost等人运用氧化还原反应进行电镀，解决了这个难题。1992年Oguro、shahinpoor、sadeghipour同时发现了IPMc的电驱动特性。1999年召开第一届关于EAP的国际会议以及开展用EAP驱动的机械手与人手进行力量比赛后，包括美国、日本、韩国在内的多个国家研究机构和企业都对IPMc进行了全面研究，2000年以后这项技术得到了长足发展，有了许多各种各样的新型作动器，比如蝠鲼型作动器、8脚作动器和蛇形作动器等。 1 IPMc的致动机理和特性 l 1 IPMC的致动机理  IPMc的致动机理如图l所示。在两电极上施加电压后，材料中本来平均分布的阳离子在外加电场的作用下向阴极聚集。同时膜内阳离子(Na、Li)等亲水性很强，它们移动时，带动水分子一起移动到了阴极附近，从而在膜的一侧形成一个很薄(小于10μm)的边界层，IPMc膜负极侧溶胀，产生压力差，密度大的地方向密度小的地方弯曲，即膜向阳极弯曲，从而导致形变。 如果通直流电，弯曲后，薄膜会逐渐恢复原状(不同离子的恢复方向和程度都有不同。)；如果通一定频率的交流电，薄膜会产生摆动。 反之，膜受外力而变形，将在电极间产生电势差。这是因为膜的变形使膜内外部的纤维膨胀，内部的压缩(如图2所示)，这就导致膜的纤维内产生应力梯度。又因为膜内的阴离子固定在聚合物内的纤维中不能自由移动，而阳离子是可以移动的，所以膜内的阳离子朝密度小的区域运动，使电极间产生电势差。IPMc的这种传感性能最早是由sadeghipour等人提出的，后来shahinp00r进行了深入的研究，并取得了一定的成果。这种特性使得IPMc在MEMs中有着巨大的发展潜力。  电压的大小直接影晌膜的形变量和驱动力的大小。当电压较低时，由于膜内部电阻和表面阻抗的存在，TPMc的运动幅度很小：当电压升高时，膜内离子迁移的速度和迁移量增加，薄膜的形变量和力同时增大；当膜内离子分布形成的电场与外加电压形成的电场达到平衡时，薄膜的形变最大。此外，IPMc膜的形变量还与外加电压的频率有关。由于IPMc膜内水合阳离子迁移速度的限制，迁移需要一定的时间，因此IPMc膜在低频电场作用下才能产生较大的位移。 膜内阳离子种类对膜的位移量影响也很大，因为离子不同，膜的内阻和膜的硬度也不同，这些因素都会导致膜的致动性不同。例如Masaki Yamakita的蛇形作动器用不同的离子(Na、cs、TEA)进行位移和速度的对比，如图3、图4所示。   除上述影响因素外，还有一个重要因素就是膜的厚度。如图5所示，设一块IPMc膜长为L1、自由运动部分长为L，宽为W，厚为日，顶端变形位移为u(即最大挠度)，F为IPMc膜顶端当量支撑力。IPMc膜在较大范围内的变形可以近似地认为是线性的，所以可以把它看成悬臂梁。由材料力学的知识可知膜末端挠度u为：  式中：M为变形最大时的力矩，I为转动惯量。把式(2)代入式(1)，得：  由式(3)可以看出，IPMc的性能与厚度有很大的关系。同样的位移u，力与厚度是三次方的关系，即其他参数都不变的情况下厚度增加一倍，力就大了三倍。因此有学者制作了4 mm厚的IPMc膜，如图6所示，其驱动力可达200 g。  1 2IPMc的特性。 IPMc是一种新型材料，同时具有压电陶瓷和生物肌肉的一一些特性。它的电致伸缩性与压电陶瓷很相似，但是其变形量却要比压电陶瓷的变形量大得多，最大可以达到百分之二百一十五，这种大变形量与生物肌肉很相似。表l列出了IPMc、形状记忆合金(sMA)和电学陶瓷(EAc)的一些主要性能，通过比较我们发现，三种材料都有各自不同的性能，要因地制宜地选用所需的材料。  IPMc的优点： (1)寿命较长，响应速度快； (2)体积小，质量轻； (3)产生大运动而不需要轴承和滑动部件； (4)驱动电压低； (5)类似于生物肌肉比例恒定的特性(即尺度不变性，同样的尺寸产生的输出一样，而不同的尺寸产生的输出与其尺寸成比例)，适用于微型装置； (6)无噪声，环保； (7)可以微型化发展。 但是，由于制造IPMc过程中的一些不稳定因素，如电镀时的温度、还原剂的用量及其他一些不可知或人为不可控的因素，会导致不同IPMc的表面容抗很难保持一致性，电动性能就会有很大的不同，这就导致IPMc性能不易调节，在制成作动器后需要比较复杂的控制系统及反馈来达到控制要求。目前，shahinpoor等人从1992年开始研究IPMc的传感器开始，已取得了一些成绩。 l 3IPMc的制作工艺 从20世纪90年代开始，日本的Keisuke Oguro和美国的shahinpoor M等都有很深入的研究，也取得了重要的研究成果，总结出了一套比较完善的制作方案。但是，IPMc的制作工艺仍然是当前研究的热点之一，需要更进一一步提高其输出力和动态响应特性，以及提高其耐久性。目前，美国MIT、新墨西哥大学、日本东京大学、韩国汉阳大学、香港城市大学、新加坡南洋理工大学以及台湾成功大学等都在积极展开相关研究工作。研究发现，IPMc膜对不同的离子，在相同电压驱动下的输出力及变形量是不同的，其中以Li和Na的效果最为显著。实验表明，IPMc表面电阻的大小与IPMc的输出能力有密切关系，而IPMc表面电阻的大小又与其表面电极制造工艺密切相关。制作IPMc主要流程如图7所示。  (1)把买来的DuPom公司的Nafion膜溶液倒人器皿中，存放几天，待其干燥。 (2)把]NailonTM膜从器皿中取出。 (3)热处理一般是加热到loo℃，再退火处理。 (4)化学镀过程是把Pt镀到NafionTM膜表面，完成IPMc的制作(这部分很复杂也很关键，电极Pt层的厚度和致密性直接影响IPMc膜的性能，除化学镀外，还可用电镀的方法)。 2 IPMc作动器的现状 用IPMc构造机械装置是推广应用这种材料的有效也是关键的方法。由于IPMc是一种柔性的材料，可使传统的刚性机械装置的结构得到简化，例如弯摆运动在传统机械中往往需要有销轴，而用IPMc则根本无须销轴就可十分简单地实现弯摆运动。目前的IPMc输出位移(应变)很大，但输出力尚不够大，如何通过巧妙的机构设计，达到增力的目的，亦是值得关注的。IPMc机械装置的“封装”依旧是一个难题，尤其在MEMS器件中问题更加突出。 近十几年来，在如何应用IPMc这种人工肌肉这方面人们做出了很多尝试，其中有些方法已经取得lr初步的成功，并研制出了各种各样的基于IPMc的作动器。20世纪90年代以来，人们发现IPMc的柔性非常适用于新一代的医疗器械和康复器械。医疗器械中以IPMc制造的微泵微阀与微电子元件结合，可组成糖尿病人胰岛素自动给药系统，实现对病人定时、定量给药；基于IPMc制作的柔顺内窥镜(例如喉镜、胃镜等)驱动机构，可显著减少病人的伤痛；IPMc还可用于微创手术用体内器械的运动控制。例如心导管手术是治疗心血管疾病的微创伤手术，目前使用的器械需要通过抽换导引线才能进入冠状动脉等部位，手术操作复杂，容易发生事故。用IPMc这种人工肌肉制造主动控制心导管，就可方便地完成上述复杂的手术操作，且由于IPMc人工肌肉机构的柔顺性，可大大减轻病人手术过程中的伤痛。利用IPMc人工肌肉的柔顺性及其大变形和低电压驱动的特长，可构造爬虫式仿生机器人，通过微创手术或直接导人血管、气管或肠道，实现内病灶检测或定点微治疗，包括微切除手术或定点、定量给药。 可穿戴机器人(wearable Robot)是当前特种机器人发展的一个重要方向，美国加州大学贝克利分校近年来展开了许多开创性的研究，其主要目标是为装备下一代的特种步兵。显然可穿戴机器人的概念完全可拓展到康复器械。例如指残病人如能戴上IPMc人工肌肉制作的主动控制手套，就可以自如地抓握东西，当然这需要很大的力，目前还很难满足。这里介绍一种用IPMc制成的抓物器，如图8所示，它由4个手指组成，每个手指是一块IPMc人工肌肉，对每块IPMc施加合适的电压，从而控制夹钳模拟机器手的动作。每块膜重O．1 g，在5 V、25mw时就能举起10．3 g的物体，如果能够提高机器手的承重，那么它的应用领域将更为广泛。  IPMc人工肌肉在工业上也大有用武之地。日本Eamex公司开发成功了用于手机相机模块的光学式手抖动补偿致动器。与此前的电磁式致动器相比，不仅薄，而且构造简单、成本低、耗电少。试制品的外形尺寸为厚1．5 mm，直径14 mm，中心部分配有镜头座。支持镜头座的离子交换树脂伸缩时，镜头倾斜。将这种镜头的倾斜与摄影者的手抖动联系起来就可以避免照片的画质降低。光学式手抖动补偿机构的倾斜范围最大±2. 9o，速度最大为14. 13o／s，能满足光学部件厂商的要求。耗电为15～35mw，驱动电压为±4 V。IPMc人工肌肉还可制造微阀阵列，用于微分析系统液流的控制。 2000年，美国NAsA航天中心的chmielewskiAB和Jenkins cH把IPMc膜运用在太空探索里，例如用于收集装置上。美国JPL(Jet Pmpulslon Laboratory)实验室已用它做成类似于汽车挡风玻璃刮雨器的刮尘器，以除去探测器在火星执行任务时硬件装置上积累的灰尘，如图9所示。  2001年，韩国sungkyunkwan大学的KwangmokJung等人根据生物肌肉的原理制作了一台直线型人工肌肉电机。 2003年，日本大阪的Eamex公司发明了一种会游泳的玩具鱼，并且已经成功进入了市场，这也是人造肌肉目前唯一进入市场的产品，引起了各国科研人员的广泛关注。这种玩具鱼完全依靠IPMc的大变形产生动力，结构简单、价格便宜。 同年，韩国科学技术研究所的微型系统研究中心研制出了一种基于IPMc的八脚作动器，如图11所示， 总长6．5 cm，宽4. 2cm，高l. 5 em，总重为4．4g。其中，中间的主体部分(长方形板)长6cm，宽3cm，重3. 6 g，每块膜长2cm，宽O. 4 cm，厚0．115 cm。作动器的驱动电压是4 V，驱动频率为O．8 Hz，每块膜产生的力大约为O．049 N，所以总的力为O．392 N，大约是自身重量的10倍。运动速度为17 mm／mln。其最大特点是在水下工作，由此可见，IPMc的性能特点使其能够运用在一些特殊的机构和环境中使用。 其运动机理如图12所示。先给一侧的IPMc膜通电，IPMc膜发生变形，不通电的没有变形，作动器由状态l变为状态2，并且向右移动。然后给已通电的膜断电，再给其余的膜通电，使右侧的IPMc膜变形(状态3)，作动器位置不变。等到左侧的膜恢复原来状态，右侧的膜变形达到最大，作动器位置仍不变(状态4)。当右侧的膜恢复原来的状态时，由于左侧的膜悬空，作动器右移(状态5)。 运动中左右两边IPMc膜的相位差要调好，这样才能平稳的运行。 2004年，爱沙尼亚共和国Man Anton等人根据蝠鲼(一种海鱼)的运动原理，利用IPMc人造肌肉的仿生特性，以及低电压和大位移的优点，设计了一种仿生作动器。基本结构如图13和图14所示， 中间平板35 mm×27 mm，厚O. 5 mm。侧翼每块膜长50 mm，下底宽12 mm，上底宽3 mm，厚度在0. 2～0．5 mm之间，一共4块。每块翼重1．5 g，机构总重量为9．6 g，在两组实验中运动速度分别为3 mm／s和9 mm／s，实物图如图15所示。 图16为侧翼上两块IPMc上的驱动电压图线，实线是其中一块的驱动电压，虚线是另一块的驱动电压。当驱动电压加在IPMc的接触器上时，每块IPMc在交流电作用下会上下摆动。由于电压相位相差90o，所以连接在IPMc之间的塑料薄膜在水中运动时会产生s型运动来推进作动器的向前运动。这种运动非常类似于蝠鲼的运动。实验中IPMc在水中以每秒1／4自身长度的速度移动了6倍于自身重量的物体，由此可见，其特性使其很可能代替人在一些危险性高的地方工作。 2005年，日本东京技术研究中心的机构与控制部门的Masaki Yama kita等学者设计了一种在水中工作的三关节蛇形作动器，如图17所示， 总重O. 6 g，总长为120 mm，镀层为金的IPMc膜两块，每块长20 mm，宽2 mm。驱动电压2．5 v、0. 8 Hz，两块膜的驱动电压相位相差90o。其基本原理是利用TPMc膜的摆动来带动泡沫与其一起运动，而水的粘性使其产生一个长轴为6，短轴为a的椭圆应力场，从而推动蛇形作动器运动。即水的反作用力的合力使其沿如图1 8所示的运动方向移动，在电压频率在0. 5 Hz时，速度可达8 mm／s。 3展望 综上所述，IPMc的应用正在蓬勃发展，2006年APEc会议期间，由人工肌肉制作的仿爱因斯坦脸形(人工皮肤)的机器人与美国总统布什握手，这表明了当前的人工肌肉发展现状及成就。然而，在IPMc大量运用之前还有大量的问题得不到解决，还有大量工作需要人们来研究。例如IPMc材料的力学性能和控制性能还有待大幅提高，还有太空环境中的高低温问题都是需要更多的人参与其中，进行更深层次的研究。不过，IPMc的应用领域是如此的广泛，这是由它的特性所决定的，不会因为目前的困难所阻止。它的研究领域涵盖材料学科，机械学科，电子学科以及控制学科，要想大力发展IPMc的应用，就需要大量各方面人员共同努力，相信在不远的将来IPMc这种材料的运用必会在我国乃至世界得到迅猛发展。
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