Artificial muscle

  EAP를 이용하여 artificial muscle을 만든것을 ElectroActive Artificial Muscle (EPAM)이라고 한다.

  위와 같은 구조를 가지고 있다. polymer양쪽에 전극을 붙여 전기장을 걸어주게 되면 이온들의 이동과 힘에 의해 polymer의 구조에 힘을 주게 되고 polymer가 actuation을 수행한다.
  동그랗게 말아서 구조를 만들면 아래와 같은 인공근육으로도 사용할 수 있다.

  이 인공근육을 응요한다면 아래와 같은 로봇을 제작할 수 있다.

  또한 EPAM은 매우 유연하고 전력이 거의 들지 않기 때문에 다음과 같은 생체모사에도 이용할 수 있다.

  EAP는 system이 매우 간단한 장점이 있다. EAP material과 전압을 가할 수 있는 전원만 있으면 artificial muscle을 제작할 수 있기 때문에 간단한 시스템으로 동작할 수 있다. 하지만 actuator의 성능이 매우 제한적이다. actuation 각도가 제한되어있고 가할 수 있는 힘의 크기가 매우 작다. 따라서 수중생물과 같은 소형시스템이고 느린 운동속도를 갖는 경우에 적용하면 좋을 것이다.


참조 : [ http://www.hizook.com/blog/2009/12/28/electroactive-polymers-eap-artificial-muscles-epam-robot-applications ]

Ionic EAP

  Ionic EAP에는 다음과 같은 물질이 있다.

• Electroactive polymer gels
• Ionometric polymer-metal composite (IPMC)
• Conductive polymer
• Carbon nanotube

  1.  Electroactive polymer gels

    polyacrylamide로 chemical gel을 만들 수 있다.

  gel을 electrical actuation하려면 조건이 필요하다. 산성 또는 염기성 용액에 넣고 음극에는 수소, 양극에는 산소를 유지시키고 1.2V를 유지해야 한다. 이온의 이동에 의해서 actuation이 일어나므로 이온의 소진의 문제도 있다. 

  하지만 gel은 너무 약하고 crack에 너무 민감하다는 단점이 있다.

  2.  Ionomeric polymer-metal composites (IPMC)

  solvent의 이온들이 전기장을 걸면 이동하여 빠른 bending deformation을 일으킨다. 매우 빠른 움직임을 보여주며 이론적인 해석이 많이 진행되어 있다. 

참조 : [ http://ebooks.spiedigitallibrary.org/content.aspx?bookid=146&sectionid=31570689 ]

         [ http://ebooks.spiedigitallibrary.org/content.aspx?bookid=146&sectionid=31570691 ]

Electric EAP

  Electric EAP에는 다음과 같은 polymer가 쓰인다

• PVDF-based ferroelectric polymer
• Ferroelectric odd-numbered polyamides (Nylons)
• High dielectric constant polymetric materials as actuator materials
• Polymer electret
• Liquid-crystal polymers

1. PVDF-based ferroelectric polymer

  ferroelectric polymer의 일종이며 polarization된 polymer에 electric field를 걸어주어 동작을 하게 만드는 방식이다. PVDF는 네 phase가 있으며 form 1 (beta phase)과 form 2 (alpha phase)가 가장 practical하다.

  form 1 (beta phase)는 all-trans planar zigzag conformation이 individual orthorhombic unit cell에 packed되어있다. 

  form 2 (alpha phase)는 sequence of alternating trans and guache sequences, or TGTG의 형식으로 되어있다. individual carbon-fliorine bond의 dipole miment가 chain direction과 수직으로 정렬되어있는게 특징이다.

   2.  Ferroelectric odd-numbered polyamides (Nylons)

  나일론은 저렴하고 매우 튼튼하며 실처럼 길게 뽑아내기 쉬운것이 특징이다. Ferroelectricity를 가지고 있어 electroactive한 성질을 가지고 있다.

  3.  Electrets

  polymer electret은 polymeric dielectric한 성질을 가지고있어 전기장을 걸어주면 polirization이 일어나 전기장이 사라져도 polirization을 유지하게 된다. 이런 과정은 보통 polymer film에 반대쪽에 전극을 놓고 전압을 걸어주어 이루어진다.

  4.  Liquid-crystal polymers (LC)

  LC는 molecular level dielectric, optical, mechanical anisotropics과 같은 특징적인 성질을 갖고 있다. LC에 전기장을 걸어주게 되면 아래의 그림과 같이 힘이 작용하게 되면서 큰 dimensional change를 이끌어낼 수 있다.

  가해준 전기장의 세기와 strain과의 관계이다.


참조 : [ http://ebooks.spiedigitallibrary.org/content.aspx?bookid=146&sectionid=31570687 ]

NaturalMuscle_2

  Natural muscle은 수백만년에 걸쳐서 진화해온 actuator이다. 만약 artificial muscle을 만들 수 있다면 그 performance는 promising하다.
  Natural muscle의 특징은 다음과 같다.

1. Maximum isometric force production depends on the level of neural activation

  근육은 isometric contraction을 수행하며 한 방향으로만 tensile force를 발생시킨다. 그 크기는 신경세포의 활성화빈도에 따라서 결정되며 힘의 세기를 조정할 수 있게 해주기 때문에 생명체의 운동에 매우 중요하다.

2. Rate of Force production and relaxation varies among muscles

  곤충의 날갯짓등에 꼭 필요한 근육의 수축, 이완주기는 생명체의 활동에 필수적이다. 0.004초에서 0.79초만에 수축과 이완을 반복하는 근육이 있다.

3. Maximum isometric force depends on muscle length

그림과 같이 최소, 최대인장일 때 가장 약한 힘을 발생할 수 있고 적당한 길이에서 가장 큰 힘을 발생할 수 있다. 

4. Force development decreases with an increase in shortening velocity

  빨리 움직이는 근육일수록 낼수있는 힘의 크기는 줄어들게 된다. 반대로 강한 힘을 내는 근육은 느리게 움직인다.

  근육의 중요한 특성 중 하나는 바로 내구성이다. 수많은 수축과 이완을 반복하더라도 같은 성질을 만족해야 한다. 그리고 수축과 팽창 시 주기에 따라 근육의 효율이 달라지는데 artificial muscle을 설계할 때 antural muscle과 비슷하거나 더 나은 효율을 갖도록 설계하는것은 필수적이다.

  위 그림에서 natural muscle과 EAP의 능력을 비교할 수 있다.


참조 : [ http://ebooks.spiedigitallibrary.org/content.aspx?bookid=146&sectionid=31570685 ]

Natural muscle_1

  근육은 Sarcomere라고 하는 구조로 이루어져 있다.

 

  더 확대를 해보면 위와 같다. Cross-bridge model이며, relaxes state에서 activated state로 넘어가면 위 그림과 같이 bridge들이 thin filament에 붙고 돌아가서 힘을 전달해주게 된다. bridge들이 힘들 가해주게 되면 filament들이 서로 길이방향으로 끌어당기게 되어 근육의 수축이 일어나게 되는 것이다.

Sarcomere는 근육의 단위라고 할 수 있으며 수많은 가닥의 sarcomere가 모여 근육을 이루게 된다. 

참조 : [ http://ebooks.spiedigitallibrary.org/content.aspx?bookid=146&sectionid=31570683 ]

Introduction

  폴리머는 다른 물질들에 비해 굉장히 특징적인 모습을 갖고 있다. 대부분의 폴리머들이 가볍고, 값이 싸고, 깨지지않고 굉장히 유연하다. 그래서 원하는 모습으로 제작하기 용이하다.
  그 중 Electroactive polymer(EAP)는 근육과 매우 닮은 점이 많아서 과학자들의 이목을 끌고 있다. 과학자들은 EAP를 이용해 artificial muscle을 제작하려고 연구중이다. EAP는 크게 두 가지로 나뉜다. Electronic(driven by electric field or Coulomb forces)과 ionic(involving mobility or diffusion of ions)이다.
   Electronic EAP에는 Ferroelectric polymer, Dielectric polymer, Electrostrictive graft elastomer, Electrostrictive paper, Electrovisco-elastic elastomer, Liquid-crystal elastomer(LCE)등 형태에 따라 매우 다양한 종류가 있다.
  Ionic EAP에는 Ionic polymer gel(IPG), Ionomeric polymer-metal composite(IPMC), Comductive polymer(CP), Carbon nanotubes(CNT), Electrohelogical fluid(ERF)들이 있다.
  EAP based actuator로 artificial muscle을 만들 수 있으며 생체 모사가 가능하다. Propulsion, mobility, locomotion등의 움직임을 표현할 수 있으며 따라서 생물들의  swimming or diving, walking, hopping or flying을 모사할 수 있다.


참조 : [ http://ebooks.spiedigitallibrary.org/book.aspx?bookid=146 ]
          [ http://ebooks.spiedigitallibrary.org/content.aspx?bookid=146&sectionid=31570681 ]