PT1221180E

PT1221180E - Polímeros electroactivos

Info

Publication number: PT1221180E
Application number: PT00959149T
Authority: PT
Inventors: Ronald E Pelrine; Roy D Kornbluh; Qibing Pei; Seajin Oh; Jose P Joseph
Original assignee: Stanford Res Inst Int
Priority date: 1999-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2010-11-26
Also published as: JP2003506858A; JP5937044B2; DK1848046T3; JP2014014266A; DK2264801T3; EP1848046B1; PT1848046E; PT2264801E; DK1221180T3; JP5512063B2; DE60044940D1; EP1848046A2; EP1848046A3; JP2009267429A; EP1221180A4; EP1221180A2; EP2264801A2; WO2001006579A3; EP1221180B1; ATE480872T1

Description

ΕΡ 1 221 180/ΡΤ

DESCRIÇÃO "Polímeros electroactivos"

Em US-A-5356500 são apresentadas películas laminadas piezoeléctricas que utilizam diferentes laminados poliméricos. Pelrine et. al.: Sensors and Actuators A64(1998), 77-85 apresenta materiais poliméricos electroestrictivos utilizados na tecnologia de actuadores de estado sólido. 0 PVDF é muitas vezes adequado para aplicações que necessitam de deformações maiores do que 4 por cento. As ligas com memória de forma, tais como nitinol, podem disponibilizar grandes respostas de força e deformação. A utilização ampla destas ligas com memória de forma tem sido limitada devido a eficiência energética inaceitável, fraca resposta no tempo e custo proibitivo.

Para além das limitações de desempenho de cerâmicas piezoeléctricas e PVDF irradiado, o seu fabrico muitas vezes apresenta uma barreira à aceitabilidade. Cerâmicas piezoeléctricas de cristal único têm de ser desenvolvidas a altas temperaturas ligadas com um processo de arrefecimento muito lento. PVDF irradiado tem de ser exposto a um feixe de electrões para processamento. Ambos os processos são dispendiosos e complexos e podem limitar a aceitabilidade destes materiais.

Tendo em vista o antecedente, dispositivos alternativos que convertam energia eléctrica em mecânica seriam desejáveis.

SUMÁRIO DO INVENTO 0 presente invento refere-se a um método de fabrico de um transdutor e a um transdutor como definido pelas reivindicações. 2 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As FIGS. IA e 1B ilustram uma vista em perspectiva de planta de um transdutor antes e depois da aplicação de uma tensão. A FIG. 1C ilustra uma superfície texturada para um polímero electroactivo que tem um perfil do tipo onda. A FIG. 1D ilustra um polímero electroactivo que inclui uma superfície texturada que tem uma textura aleatória. A FIG. 1E ilustra uma vista lateral de secção transversal de um actuador de diafragma que inclui um polímero electroactivo antes da aplicação de uma tensão. A FIG. 1F ilustra uma vista de secção transversal do diafragma do polímero electroactivo da FIG. 1E depois da aplicação de uma tensão.

As FIGS. 2A e 2B ilustram um actuador de flexão antes e depois de actuação. A FIG. 2C ilustra um actuador de flexão que inclui componentes adicionais para melhorar a deflexão.

As FIGS. 2D e 2E ilustram um actuador de movimento linear antes e depois de actuação. A FIG. 2F ilustra uma vista lateral de secção transversal de um actuador que inclui múltiplas camadas de polímero. A FIG. 2G ilustra um actuador de multicamadas empilhadas como um exemplo de um músculo artificial. A FIG. 2H ilustra um actuador linear que compreende um diafragma de polímero electroactivo. A FIG. 21 ilustra um actuador do tipo "inchworm" (piezoeléctrico nanométrico) que inclui um polímero electroactivo enrolado. 3 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ A FIG. 2J ilustra um actuador de película estirada para proporcionar deflexão numa direcção. A FIG. 2K ilustra um actuador de haste de flexão. A FIG. 2l ilustra o actuador de haste de flexão da FIG. 2K com um ângulo de flexão de 90°. A FIG. 2M ilustra um actuador de haste de flexão que inclui duas camadas de polímero. A FIG. 3 ilustra um eléctrodo estruturado que permite flexibilidade unidireccional. A FIG. 4 ilustra um polímero pré-deformado que compreende um eléctrodo estruturado que não é direccionalmente flexível. A FIG. 5 ilustra eléctrodos texturados. A FIG. 6 ilustra um sistema de bombagem de dois estágios em cascata que inclui duas bombas de actuador de diafragma. A FIG. 7A ilustra um fluido de processo para fabrico de um dispositivo electromecânico com, pelo menos, um polímero pré-deformado.

As FIGS. 7B a F ilustram um processo para fabrico de um dispositivo electromecânico com múltiplas camadas de polímero.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS O presente invento será agora descrito em detalhe com referência a algumas concretizações preferidas do mesmo como ilustrado nos desenhos em anexo. Na descrição seguinte, vários detalhes específicos são expressos a fim de proporcionarem uma compreensão do presente invento. Será evidente, no entanto, para quem for especializado na técnica, que o presente invento pode ser levado à prática sem alguns ou todos os detalhes especificados. Noutros exemplos, passos e/ou estruturas de processo bem conhecidos não foram 4 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ descritos em detalhe a fim de não tornar pouco claro, de forma desnecessária, o presente invento.

PANORÂMICA

Os polímeros electroactivos deflectem quando actuados por energia eléctrica. Num exemplo, um polímero electroactivo remete para um polímero que actua como um dieléctrico de isolamento entre dois eléctrodos e pode deflectir após aplicação de uma diferença de tensão entre os dois eléctrodos. Num exemplo, polímeros são pré-deformados para melhorar a conversão entre energia eléctrica e mecânica. A pré-deformação melhora a resposta mecânica de um polímero electroactivo em relação a um polímero electroactivo não deformado. A resposta mecânica melhorada permite maior trabalho mecânico para um polímero electroactivo, por exemplo, maiores deflexões e pressões de actuação. Por exemplo, deformações lineares de, pelo menos, cerca de 200 por cento e deformações de área de, pelo menos, cerca de 300 por cento são possíveis com polímeros pré-deformados do presente invento. A pré-deformação pode variar em diferentes direcções de um polímero. A combinação de variabilidade direccional da pré-deformação, diferentes formas de constranger um polímero, escalonabilidade de polímeros electroactivos a níveis tanto micro como macro e diferentes orientações de polímero (por exemplo, camadas de polímero individuais empilhadas ou enroladas) permite uma ampla gama de actuadores que convertem energia eléctrica em trabalho mecânico. Estes actuadores encontram utilização numa ampla gama de aplicações.

Como os polímeros electroactivos podem deflectir em deformações lineares de, pelo menos, cerca de 200 por cento, os eléctrodos ligados aos polímeros deverão também deflectir sem comprometer o desempenho mecânico ou eléctrico. Em consequência, eléctrodos flexíveis conformes com a forma de um polímero electroactivo estão ligados ao mesmo. Os eléctrodos conseguem manter comunicação eléctrica mesmo em grandes deflexões a que são sujeitos os polímeros pré-deformados do presente invento. Por meio de exemplo, deformações de, pelo menos, 50 por cento são comuns com eléctrodos do presente invento. Em alguns casos, a 5 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ flexibilidade evidenciada pelos eléctrodos pode variar com a direcção.

Como os polímeros pré-deformados são adequados para utilização tanto em escalas micro como macro, numa ampla variedade de actuadores e numa ampla gama de aplicações, os processos de fabrico utilizados com o presente invento variam muito. 0 presente invento disponibiliza métodos para fabricar dispositivos electromecânicos que incluem um ou mais polímeros pré-deformados. A pré-deformação pode ser conseguida por uma quantidade de técnicas tais como estiramento mecânico de um polímero electroactivo e fixação do polímero a um ou mais órgãos sólidos enquanto o mesmo é estirado.

ESTRUTURA GERAL DE DISPOSITIVOS

As FIGS. IA e 1B ilustram uma vista de perspectiva em planta de um transdutor 100. O transdutor 100 inclui um polímero 102 para converter energia eléctrica em energia mecânica. Eléctrodos de topo e de base 104 e 106 estão ligados ao polímero electroactivo 102 nas suas superfícies de topo e de base, respectivamente, para proporcionar uma diferença de tensão através de uma porção do polímero 102. O polímero 102 deflecte com uma alteração no campo eléctrico formado pelos eléctrodos do topo e da base 104 e 106. A deflexão do transdutor 100 em resposta a uma alteração no campo eléctrico formado pelos eléctrodos 104 e 106 é referida como actuação. Como o polímero 102 varia de tamanho, a deflexão pode ser utilizada para produzir trabalho mecânico. A FIG. 1B ilustra uma vista de perspectiva de planta do transdutor 100 que inclui deflexão em resposta a uma alteração no campo eléctrico. Em termos gerais, deflexão remete para qualquer deslocamento, expansão, contracção, torção, deformação linear ou de área, ou qualquer outra deformação de uma porção do polímero 102. A alteração no campo eléctrico correspondente à diferença de tensão produzida pelos eléctrodos 104 e 106 produz pressão mecânica no polímero pré-deformado 102. Neste caso, as diferentes cargas eléctricas produzidas pelos eléctrodos 104 e 106 são atraídas entre si e proporcionam uma força de compressão 6 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ entre os eléctrodos 104 e 106 e uma força de expansão no polímero 102 em direcções planares 108 e 110, o que leva o polímero 102 a comprimir entre os eléctrodos 104 e 106 e a estirar nas direcções planares 108 e 110.

Em alguns casos, os eléctrodos 104 e 106 cobrem uma porção limitada do polímero 102 em relação à área total do polímero. Isto pode ser feito para evitar rupturas eléctricas à volta da margem do polímero 102 ou conseguir deflexões personalizadas em certas porções do polímero. Como o termo é utilizado aqui, uma região activa é definida como uma porção do material polimérico 102 que tem força electrostática suficiente para permitir a deflexão da porção. Como será descrito abaixo, um polímero pode ter múltiplas regiões activas. O material polimérico 102 fora de uma área activa pode actuar como uma força elástica externa sobre a área activa durante a deflexão. De forma mais específica, o material fora da área activa pode resistir à deflexão da área activa pela sua contracção ou expansão. A remoção da diferença de tensão e da carga induzida leva a efeitos inversos.

Os eléctrodos 104 e 106 são flexíveis e mudam de forma com o polímero 102. A configuração do polímero 102 e dos eléctrodos 104 e 106 garantem o aumento da resposta do polímero 102 com a deflexão. De forma mais específica, à medida que o transdutor 100 deflecte, a compressão do polímero 102 aproxima as cargas opostas dos eléctrodos 104 e 106 e o estiramento do polímero 102 separa as cargas semelhantes em cada eléctrodo. Numa concretização, um dos eléctrodos 104 e 106 está à terra.

Em termos gerais, o transdutor 100 continua a deflectir até que as forças mecânicas equilibrem as forças electrostáticas que accionam a deflexão. As forças mecânicas incluem forças de restituição elásticas do material polimérico 102, a flexibilidade dos eléctrodos 104 e 106 e qualquer resistência externa exercida por um dispositivo e/ou carga ligada ao transdutor 100. A deflexão resultante do transdutor 100 em consequência da tensão aplicada também pode depender de uma quantidade de outros factores tais como a 7 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ constante dieléctrica do polímero 102 e a dimensão do polímero 102.

Os polímeros electroactivos utilizados de acordo com o presente invento podem deflectir em qualquer direcção. Depois da aplicação da tensão entre os eléctrodos 104 e 106, o polímero electroactivo 102 aumenta de dimensão nas duas direcções planares 108 e 110. Em alguns casos, o polímero electroactivo 102 é incompressível, por exemplo tem uma deflexão de área activa substancialmente constante pela sua contracção ou expansão. A remoção da diferença de tensão e da carga induzida leva a efeitos inversos.

Os eléctrodos 104 e 106 são flexíveis e mudam de forma com o polímero 102. A configuração do polímero 102 e dos eléctrodos 104 e 106 garantem o aumento da resposta do polímero 102 com a deflexão. De forma mais específica, à medida que o transdutor 100 deflecte, a compressão do polímero 102 aproxima as cargas opostas dos eléctrodos 104 e 106 e o estiramento do polímero 102 separa as cargas semelhantes em cada eléctrodo. Um dos eléctrodos 104 e 106 pode estar à terra.

Em termos gerais, o transdutor 100 continua a deflectir até que as forças mecânicas equilibrem as forças electrostáticas que accionam a deflexão. As forças mecânicas incluem forças de restituição elásticas do material polimérico 102, a flexibilidade dos eléctrodos 104 e 106 e qualquer resistência externa exercida por um dispositivo e/ou carga ligada ao transdutor 100. A deflexão resultante do transdutor 100 em consequência da tensão aplicada também pode depender de uma quantidade de outros factores tais como a constante dieléctrica do polímero 102 e a dimensão do polímero 102.

Polímeros electroactivos podem deflectir em qualquer direcção. Depois da aplicação da tensão entre os eléctrodos 104 e 106, o polímero electroactivo 102 aumenta de dimensão nas duas direcções planares 108 e 110. Em alguns casos, o polímero electroactivo 102 é incompressível, por exemplo, tem um volume substancialmente constante sob tensão. Neste caso, o polímero 102 diminui de espessura em consequência da 8 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ expansão nas direcções planares 108 e 110. Deverá ser salientado que o presente invento não está limitado a polímeros incompressíveis e a deflexão do polímero 102 pode não ser conforme com uma relação simples deste tipo. O polímero electroactivo 102 é pré-deformado. A pré-deformação aumenta a conversão entre energia eléctrica e mecânica. Numa concretização, a pré-deformação aumenta a resistência dieléctrica do polímero. Para o transdutor 100, a pré-deformação permite que o polímero electroactivo 102 deflicta mais e garanta maior trabalho mecânico. A pré-deformação de um polímero pode ser descrita numa ou mais direcções como a variação em dimensão naquela direcção depois de pré-deformação em relação à dimensão naquela direcção antes da pré-deformação. A pré-deformação pode compreender deformação elástica do polímero 102 e ser formada, por exemplo, por estiramento do polímero em tracção e fixação de uma ou mais das margens enquanto é estirado. Numa concretização, a pré-deformação é elástica. Depois de actuação, um polímero pré-deformado de modo elástico poderia, em princípio, ser liberto e retornar ao seu estado original. A pré-deformação pode ser imposta em limites com a utilização de um quadro rigido ou pode ser implementada localmente para uma porção do polímero.

Num exemplo, é aplicada pré-deformação de modo uniforme sobre uma porção do polímero 102 para produzir um polímero pré-deformado isotrópico. Por meio de exemplo, um polímero elastomérico acrílico pode ser estirado entre 200 a 400 por cento em ambas as direcções planares. Noutro exemplo, é aplicada pré-deformação de forma desigual em diferentes direcções numa porção do polímero 102 para produzir um polímero pré-deformado anisotrópico. Neste caso, o polímero 102 pode deflectir mais numa direcção do que noutra quando actuado. Apesar de não se desejar estar limitado pela teoria, crê-se que a pré-deformação de um polímero numa direcção pode aumentar a rigidez do polímero na direcção de pré-deformação. Em consequência, o polímero é relativamente mais rígido na direcção com maior pré-deformação e mais flexível na direcção com menor pré-deformação e, após actuação, a maior parte da deflexão ocorre na direcção com menor pré-deformação. Numa concretização, o transdutor 100 melhora a deflexão na 9 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ direcção 108 ao explorar maior pré-deformação na direcção perpendicular 110. Por meio de exemplo, um polímero elastomérico acrílico utilizado como o transdutor 100 pode ser estirado por 100 por cento na direcção 108 e por 500 por cento na direcção perpendicular 110. O corpo do transdutor 100 e as restrições de arestas geométricas também podem afectar a deflexão direccional como será descrito abaixo em relação aos actuadores. A quantidade de pré-deformação para um polímero pode ser baseada no polímero electroactivo e no desempenho desejado do polímero num actuador ou aplicação. Para alguns polímeros do presente invento, a pré-deformação numa ou mais direcções pode variar de -100 por cento a 600 por cento. Por meio de exemplo, para um elastómero acrílico VHB com pré-deformação isotrópica, podem ser utilizadas pré-deformações de, pelo menos, cerca de 100 por cento e, de preferência de entre cerca de 200 a 400 por cento, em cada direcção. Numa concretização, o polímero é pré-deformado por um factor na gama de cerca de 1,5 vezes a 50 vezes a área original. Para um acrílico anisotrópico pré-deformado melhorar a actuação numa direcção flexível, podem ser utilizadas pré-deformações entre cerca de 400 a 500 por cento na direcção rígida e podem ser utilizadas pré-deformações entre cerca de 20 a 200 por cento na direcção flexível. Em alguns casos, pode ser adicionada pré-deformação numa direcção tal que ocorra uma pré-deformação negativa noutra direcção, por exemplo 600 por cento numa direcção ligada com -100 por cento numa direcção ortogonal. Nestes casos, a variação líquida na área devido à pré-deformação é tipicamente positiva. A pré-deformação pode afectar outras propriedades do polímero 102. As pré-deformações grandes podem variar as propriedades elásticas do polímero e trazer o mesmo para um regime mais rígido com menores perdas viscoelásticas. Para alguns polímeros, a pré-deformação aumenta a resistência à ruptura eléctrica do polímero 102, o que permite utilizar maiores campos eléctricos no polímero - o que permite maiores pressões de actuação e maiores deflexões.

Pode ser utilizada deformação linear e deformação de área para descrever a deflexão de um polímero pré-deformado. 10 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ

Como ο termo é utilizado aqui, deformação linear de um polimero pré-deformado remete para a deflexão por unidade de comprimento ao longo de uma linha de deflexão em relação ao estado não actuado. Deformações lineares máximas (tênsil ou de compressão) de, pelo menos, 50 por cento são comuns para polímeros pré-deformados do presente invento. Por certo, um polímero pode deflectir com uma deformação inferior ao máximo e a deformação pode ser ajustada por ajustamento da tensão aplicada. Para alguns polímeros pré-deformados, deformações lineares máximas de, pelo menos, cerca de 100 por cento são comuns. Para polímeros tais como VHB 4910 como produzido pela 3M Corporation de St. Paul, MN, deformações lineares máximas no intervalo de 40 a 215 por cento são comuns. Deformação de área de um polímero electroactivo remete para a variação na área planar, por exemplo a variação no plano definido pelas direcções de 108 e 110 nas FIGS. IA e 1B, por unidade de área do polímero após actuação em relação ao estado não actuado. São possíveis deformações máximas de área, pelo menos, de cerca de 100 por cento para polímeros pré-deformados do presente invento. Para alguns polímeros pré-deformados, deformações máximas de área no intervalo de 70 a 330 por cento são comuns.

Em geral, depois do polímero ser pré-deformado, o mesmo pode ser fixo a um ou mais objectos. Cada objecto pode ser rígido de forma adequada para manter o nível de pré-deformação desejado no polímero. O polímero pode ser fixo a um ou mais objectos de acordo com qualquer método convencional conhecido na técnica tal como um adesivo químico, uma camada ou material adesivo, ligação mecânica, etc.

Transdutores e polímeros pré-deformados do presente invento não estão limitados a qualquer geometria particular de deflexão linear. Por exemplo, o polímero e os eléctrodos podem ser formados em qualquer geometria ou formato incluindo tubos e rolos, polímeros estirados ligados entre múltiplas estruturas rígidas, polímeros estirados ligados através de um quadro de qualquer geometria - incluindo geometrias curvas ou complexas, através de um quadro que tenha uma ou mais juntas, etc. Deflexão de um transdutor de acordo com o presente invento inclui expansão e compressão linear numa ou mais 11 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ direcções, curvatura, deflexão axial quando o polímero é enrolado, deflexão devida a um orifício colocado num substrato, etc. A deflexão de um transdutor pode ser afectada pelo modo como o polímero é constrangido por um quadro ou estruturas rígidas ligadas ao polímero. Numa concretização, um material flexível que é mais rígido em alongamento do que o polímero que está ligado a um lado de um transdutor induz curvatura quando o polímero é actuado. Noutra concretização, um transdutor que deflecte radialmente para fora do plano é referido como um diafragma. Um actuador de diafragma será descrito em maior detalhe em relação às FIGS. 1E e 1F.

Transdutores (incluindo métodos de utilização dos mesmos e métodos de fabrico dos mesmos) são descritos em relatórios disponíveis pelos escritórios New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) sob o título de referência "Annual Research Progress Report for R&D of Micromachine Technology (R&D of High Functional Maintenance System for Power Plant Facilities)" para 1999, o "Annual Research Progress Report for R&D of Micromachine Technology (R&D of High Functional Maintenance System for Power Plant Facilities)" para 1998, o "Annual Research Progress Report for R&D of Micromachine Technology (R&D of High Functional Maintenance System for Power Plant Facilities)" para 1997, ou o "Annual Research Progress Report for R&D of Micromachine Technology (R&D of High Functional Maintenance System for Power Plant Facilities)" para 1996, NEDO tem vários escritórios no Japão para além de outros escritórios nos Estados Unidos, Austrália, França, Tailândia e China.

Polímeros electroactivos utilizados de acordo com o presente invento incluem uma superfície texturada. A FIG. 1C ilustra uma superfície texturada 150 para um polímero elctroactivo 152 com um perfil do tipo onda. A superfície texturada 150 permite que o polímero 152 deflicta com a utilização da curvatura de ondas de superfície 154. A curvatura das ondas de superfície 154 proporciona flexibilidade direccional numa direcção 155 com menos resistência do que estiramento em espessura para um eléctrodo rígido ligado ao polímero 152 na direcção 155. A superfície texturada 150 pode ser caracterizada por depressões e cristãs, por exemplo, cerca de 0,1 mícron a 40 mícron de 12 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ largura e cerca de 0,1 mícron a 20 mícron de profundidade. Neste caso, a largura e profundidade da onda são substancialmente inferiores à espessura do polímero. Numa concretização específica, as depressões e cristãs são aproximadamente de 10 mícron de largura e seis mícron de profundidade sobre uma camada de polímero com uma espessura de 200 mícron.

Uma camada fina de material rígido 156, tal como um eléctrodo pode ser ligada ao polímero 152 para formar o perfil do tipo onda. Durante o fabrico, o polímero electroactivo é estirado mais do que o mesmo pode ser estirado quando actuado e a camada fina de material rígido 156 é ligada à superfície do polímero estirado 152. De seguida, o polímero 152 é relaxado e o corpo deforma para garantir a superfície texturada.

Em geral, uma superfície texturada pode compreender qualquer topografia de superfície não uniforme ou não suave que permita que um polímero deflicta com a utilização de deformação na superfície do polímero. Por meio de exemplo, a FIG. 1D ilustra um polímero electroactivo 160 que inclui uma superfície rugosa 161 com textura aleatória. A superfície rugosa 160 permite deflexão planar que não é flexível de forma direccional. Com vantagem, a deformação na topografia de superfície pode permitir deflexão de um eléctrodo rígido com menor resistência do que o estiramento ou compressão em espessura. Deverá ser referido que a deflexão de um polímero pré-deformado com uma superfície texturada pode compreender uma combinação de deformação de superfície e estiramento em espessura do polímero.

As superfícies texturadas não uniformes para o polímero também podem permitir a utilização de uma camada de barreira e/ou eléctrodos que se baseiam na deformação das superfícies texturadas. Os eléctrodos podem incluir metais que curvam de acordo com a geometria da superfície do polímero. A camada de barreira pode ser utilizada para bloquear carga em caso de ruptura eléctrica local no material polimérico pré-deformado.

Os materiais adequados para utilização como um polímero pré-deformado com o presente invento podem incluir qualquer 13 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ polímero substancialmente isolante ou borracha que deforma em resposta a uma força electrostática ou cuja deformação resulta numa alteração no campo eléctrico. Um material adequado é NuSil CF 19-2186 como fornecido pela NuSil Technology of Carpenteria, CA. Outros materiais exemplificativos adequados para utilização como um polímero pré-deformado incluem, qualquer polímero elastomérico dieléctrico, borrachas de silicone, fluoroelastómeros, silicones tais como Dow Corning HS3 como fornecido pela Dow Corning de Wilmington, Delaware, fluoro-silicones tais como Dow Corning 730 como fornecido pela Dow Corning de Wilmington, Delaware, etc., e polímeros acrílicos tais como qualquer acrílico na série de acrílicos VHB 4900 como fornecido pela 3M Corp. de St. Paul, MN.

Em muitos casos, os materiais utilizados de acordo com o presente invento são polímeros disponíveis comercialmente. Os polímeros disponíveis comercialmente podem incluir, por exemplo, qualquer elastómero de silicone disponível comercialmente, poliuretano, copolímero PVDF e elastómero adesivo. A utilização de materiais disponíveis comercialmente garante alternativas económicas para transdutores e dispositivos associados do presente invento. A utilização de materiais disponíveis comercialmente pode simplificar o fabrico. Numa concretização, o polímero disponível comercialmente é um elastómero acrílico disponível comercialmente que compreende misturas de acrilato alifático que são foto curadas durante o fabrico. A elasticidade do elastómero acrílico resulta de uma combinação dos grupos alifáticos derivados e cruzados entre as cadeias de polímeros acrílicos.

Os materiais utilizados como um polímero pré-deformado podem ser seleccionados com base numa ou mais propriedades de materiais tais como uma elevada resistência à ruptura eléctrica, em baixo módulo de elasticidade - para grandes ou pequenas deformações, uma constante dieléctrica elevada, etc. Numa concretização, o polímero é seleccionado de modo que o mesmo tenha uma pressão de actuação máxima entre cerca de 0,05 Mpa e cerca de 10 Mpa e, de preferência, entre cerca de 0,3 Mpa e cerca de 3 Mpa. Ainda numa outra concretização, o polímero é seleccionado de modo que o mesmo tenha uma 14 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ constante dieléctrica entre cerca de 2 e cerca de 20 e, de preferência, entre cerca de 2,5 e 12. Para algumas aplicações, um polímero electroactivo é seleccionado com base numa ou mais necessidades da aplicação tais como um amplo intervalo de temperatura e/ou humidade, repetitibilidade, precisão, baixa fluência, fiabilidade e resistência.

As tensões de actuação adequadas para polímeros pré-deformados utilizadas no presente invento podem variar com base no material polimérico electroactivo e nas suas propriedades (por exemplo a constante dieléctrica) bem como as dimensões do polímero (por exemplo a espessura entre eléctrodos). Por meio de exemplo, campos eléctricos de actuação para o polímero 102 na FIG. IA pode variar no intervalo de amplitude de cerca de 0 V/m a 440 megaVolt/metro. Tensões de actuação neste intervalo podem produzir uma pressão no intervalo de cerca de 0 Pa a cerca de 10 Mpa. Para conseguir um transdutor capaz de forças maiores, a espessura do polímero pode ser aumentada. Em alternativa, podem ser implementadas múltiplas camadas de polímero. Tensões de actuação para um polímero particular podem ser reduzidas por aumento da constante dieléctrica, diminuição da espessura do polímero e diminuição do módulo de elasticidade, por exemplo.

Os polímeros pré-deformados utilizados no presente invento podem cobrir um amplo intervalo de espessuras. Numa concretização, a espessura do polímero pode variar entre cerca de 1 micro metro e 2 milímetros. Espessuras típicas antes de pré-deformação incluem 50 a 225 micro metros para HS3, 25 a 75 micro metros para NuSil CF 19 a 2186, e 100 a 1000 micro metros para qualquer dos polímeros acrílicos da série 3 VHB 4900. A espessura do polímero pode ser reduzida por estiramento da película numa ou em ambas as direcções planares. Em muitos casos, os polímeros pré-deformados podem ser fabricados e implementados como películas finas. As espessuras adequadas para estas películas finas podem ser inferiores a 50 micro metros. 15 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ

ACTUADORES A deflexão de um polímero pré-deformado pode ser utilizada numa variedade de modos para produzir energia mecânica. Em termos gerais, os polímeros electroactivos podem ser implementados com uma variedade de actuadores - incluindo actuadores convencionais reabilitados com um polímero pré-deformado e actuadores personalizados concebidos especialmente para um ou mais polímeros pré-deformados. Actuadores convencionais incluem extensores, hastes de flexão, pilhas, diafragmas, etc. Serão apresentados agora vários actuadores personalizados exemplificativos diferentes. A FIG. 1e ilustra uma vista lateral de secção transversal de um actuador de diafragma 130 que inclui um polímero pré-deformado 131 antes de actuação. O polímero pré-deformado 131 está ligado a um quadro 132. O quadro 132 inclui um orifício circular 133 que permite deflexão do polímero 131 perpendicular à área do orifício circular 133. O actuador de diafragma 130 inclui eléctrodos circulares 134 e 136 em qualquer lado do polímero 131 para proporcionar uma diferença de tensão através de uma porção do polímero 131. Na configuração de tensão de corte da FIG. ΙΕ, o polímero 131 é estirado e fixo ao quadro 132 com tracção para se conseguir pré-deformação. Após aplicação de uma tensão adequada aos eléctrodos 134 e 136, a película de polímero 131 expande para fora do plano do quadro 132 com ilustrado na FIG. 1F. Os eléctrodos 134 e 136 são flexíveis e mudam de forma com o polímero pré-deformado 131 à medida que o mesmo deflecte. O actuador de diafragma 130 pode expandir em ambas as direcções do plano. O lado de base 141 do polímero 131 pode incluir uma pressão de desvio que influencie a expansão da película de polímero 131 para actuar de forma contínua para cima no sentido das setas 143 (FIG. 1F) . Um agente de dilatação tal como uma pequena quantidade de óleo de silicone pode ser aplicado ao lado de base 141 para influenciar a expansão do polímero 131 na direcção das setas 143. O agente de dilatação provoca ligeira deflexão permanente numa direcção como determinado durante o fabrico, por exemplo, por aplicação de uma ligeira pressão no lado de base 141 quando o agente de dilatação é aplicado. O agente de dilatação permite 16 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ que ο diafragma actue em contínuo num sentido desejado sem utilização de uma pressão de desvio. A quantidade de expansão para o actuador de diafragma 130 varia com base numa quantidade de factores que incluem o material do polímero 131, a tensão aplicada, a quantidade de pré-deformação, qualquer pressão de desvio, flexibilidade dos eléctrodos 134 e 136, etc. O polímero 131 pode atingir deflexões com uma altura 137 de, pelo menos, cerca de 50 por cento do diâmetro do orifício 139 e pode adquirir uma forma hemisférica em grandes deflexões. Neste caso, um ângulo 147 formado entre o polímero 131 e o quadro 132 pode ser inferior a 90 graus.

Como referido anteriormente, a expansão numa direcção de um polímero electroactivo pode induzir tensão de contracção numa segunda direcção tal como devido a efeitos de Poisson. Isto pode reduzir a resposta mecânica para um transdutor que disponibilize resposta mecânica na segunda direcção. Em consequência, os actuadores podem ser concebidos para constrangerem um polímero na direcção diferente da resposta. Em alguns casos, os actuadores podem ser concebidos para melhorarem a resposta mecânica com utilização de deflexão na direcção diferente da resposta.

Um actuador que utilize deflexão numa direcção planar para melhorar a resposta mecânica noutra direcção planar é um actuador de flexão. As FIGS. 2A e 2B ilustram um actuador de flexão 200 antes e depois de actuação. O actuador de flexão 200 é um mecanismo planar que compreende um quadro flexível 202 que disponibiliza auxílio mecânico para melhorar a resposta mecânica para um polímero 206 ligado ao quadro 202. O quadro 202 inclui seis órgãos rígidos 204 ligados em juntas 205. Os órgãos 204 e as juntas 205 disponibilizam auxílio mecânico ao ligarem deflexão do polímero numa direcção planar 208 à resposta mecânica numa direcção planar perpendicular 210. De forma mais específica, o quadro 202 está disposto de modo a que uma pequena deflexão do polímero 206 na direcção 208 melhore o deslocamento na direcção planar perpendicular 210. Ligados às superfícies opostas (topo e base) do polímero 206 estão os eléctrodos 207 (eléctrodo de base no lado de 17 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ base do polímero 206 não mostrado) para disponibilizar uma diferença de tensão através de uma porção do polímero 206. O polímero 206 está configurado com diferentes níveis de pré-deformação nas suas direcções ortogonais. De forma mais específica, o polímero electroactivo 206 inclui uma pré-deformação elevada na direcção planar 208 e pouca ou nenhuma pré-deformação na direcção planar perpendicular 210. Esta pré-deformação anisotrópica está disposta em relação à geometria do quadro 202. De forma mais específica, após actuação através dos eléctrodos 207 e 209, o polímero contrai na direcção de elevada pré-deformação 208. Com o movimento restrito do quadro 202 e da haste de alavanca disponibilizada pelos órgãos 204, esta contracção ajuda a accionar a deflexão na direcção planar perpendicular 210. Deste modo, mesmo para uma curta deflexão do polímero 206 na direcção de elevada pré-deformação 208, o quadro 202 curva para fora na direcção 210. Desta forma, uma pequena contracção na direcção de elevada pré-deformação 210 torna-se uma expansão maior na direcção 208 de pré-deformação relativamente baixa.

Com a utilização da pré-deformação anisotrópica e constrangimento disponibilizado pelo quadro 202, o actuador de flexão 200 permite contracção numa direcção para melhorar a deflexão mecânica e na conversão eléctrica para mecânica noutra. Por outras palavras, uma carga 211 (FIG. 2B) ligada ao actuador de flexão 200 está ligada para deflexão do polímero 206 em duas direcções - direcção 208 e 210. Deste modo, em consequência da pré-deformação diferencial do polímero 206 e da geometria do quadro 202, o actuador de flexão 200 consegue disponibilizar um deslocamento mecânico maior do que um polímero electroactivo isolado para alimentação eléctrica comum. O actuador de flexão 200 pode ser configurado com base no polímero 206. Por meio de exemplo, a geometria do quadro 202 e as dimensões do polímero 206 podem ser concebidas com base no material polimérico 206. Numa concretização específica com a utilização de silicone HS3 como o polímero 206, o polímero 206, de preferência, tem uma relação nas direcções 208 e 210 de 9:2 com pré-deformações de cerca de 270 por cento e -25 por cento nas direcções 208 e 210, 18 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ respectivamente. Com esta arquitectura, são possíveis deformações lineares de, pelo menos, cerca de 100 por cento na direcção 210. A pré-deformação no polímero 206 e a restrição devidas ao quadro 202 também podem permitir que o actuador de flexão 200 utilize tensões de actuação inferiores para o polímero pré-deformado 206 para uma dada deflexão. Como o actuador de flexão 200 tem um módulo de elasticidade efectivo inferior na direcção de baixa pré-deformação 210, a restrição mecânica disponibilizada pelo quadro 202 permite que o actuador de flexão 200 seja actuado na direcção 210 para uma deflexão maior com uma tensão inferior. Além disso, a elevada pré-deformação na direcção 208 aumenta a resistência à ruptura do polímero 206, o que permite tensões maiores e deflexões maiores para o actuador de flexão 200.

Como referido anteriormente em relação à FIG. IA, quando um polímero se expande em consequência de forças electrostáticas, o mesmo continua a expandir até que forças mecânicas equilibrem a pressão electrostática que acciona a expansão. Quando a carga 211 é ligada ao actuador de flexão 200, os efeitos mecânicos disponibilizados pela carga 211 influenciam a deflexão e o equilíbrio de força do polímero 206. Por exemplo, se a carga 211 resiste à expansão do actuador de flexão 200, então o polímero 206 pode não expandir tanto como se não houvesse carga. O actuador de flexão 200 pode incluir componentes adicionais para disponibilizar auxílio mecânico e melhorar a resposta mecânica. Por meio de exemplo, as molas 220 como mostrado na FIG. 2C podem ser ligadas ao actuador de flexão 200 para melhorar a deflexão na direcção 210. As molas carregam o actuador de flexão 200 de modo que a força de mola exercida pelas molas se opõe à resistência oferecida por uma carga externa. Em alguns casos, as molas 220 garantem aumento de auxílio para a deflexão do actuador de flexão 200. Elementos de mola podem ser integrados nas juntas 205 em vez das molas externas 220 para melhorar a deflexão do actuador de flexão 200. Além disso, pode ser aumentada a pré-deformação para melhorar a deflexão. A carga também pode ser ligada aos órgãos rígidos 204 no topo e na base do quadro 202 19 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ em vez de nos órgãos rígidos do lado do quadro 202 (como mostrado na FIG. 2B) . Uma vez que os órgãos rígidos 204 do topo e da base contraem um em direcção ao outro quando é aplicada tensão como mostrado na FIG. 2B, o actuador de flexão 200 disponibiliza um dispositivo exemplificativo que contrai no plano após aplicação de uma tensão em vez de expandir.

Apesar do actuador de flexão 200 das FIGS. 2A a 2C ilustrar um exemplo específico de um actuador personalizado que inclui um quadro flexível e um polímero electroactivo, qualquer geometria de quadro ou auxílio mecânico para melhorar o deslocamento de um polímero electroactivo são adequados para utilização com o presente invento. A forma e restrição do polímero podem afectar a deflexão. Uma relação de forma para um polímero electroactivo é definida como a relação do seu comprimento com a largura. Se a relação de forma for elevada (por exemplo, uma relação de forma de, pelo menos, cerca de 4:1) e o polímero estiver constrangido ao longo do seu comprimento por órgãos rígidos, então a combinação pode resultar numa deflexão substancialmente unidimensional na direcção da largura.

As FIGS. 2D e 2E ilustram um actuador de movimento linear 230 antes e depois de actuação. O actuador de movimento linear 230 é um mecanismo planar que disponibiliza resposta mecânica numa direcção. O actuador de movimento linear 230 compreende um polímero 231 com um comprimento 233 substancialmente maior do que a sua largura 234 (por exemplo, uma relação de forma de, pelo menos, cerca de 4:1). O polímero 231 está ligado em lados opostos a órgãos rígidos 232 de um quadro ao longo do seu comprimento 233. Os órgãos rígidos 232 têm uma rigidez maior do que o polímero 231. A restrição de aresta geométrica garantida pelos órgãos rígidos 232 prevê de forma substancial o deslocamento numa direcção 236 ao longo do comprimento do polímero 233 e facilita a deflexão quase exclusivamente numa direcção 235. Quando o actuador de movimento linear 230 está implementado com um polímero 231 com pré-deformação anisotrópica, tal como uma pré-deformação maior na direcção 236 do que na direcção 235, então o polímero 231 é mais rígido na direcção 236 do que na 20 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ direcção 235 e podem resultar grandes deflexões na direcção 235. Por meio de exemplo, uma arquitectura deste tipo pode produzir deformações lineares de, pelo menos, cerca de 200 por cento para acrílicos com uma pré-deformação anisotrópica.

Uma colecção de actuadores ou polímeros electroactivos pode ser mecanicamente ligada para formar um actuador maior com uma resposta comum, por exemplo força e/ou deslocamento. Ao utilizar um pequeno polímero electroactivo com uma unidade de base numa colecção, a conversão de energia eléctrica em energia mecânica pode ser escalada de acordo com uma aplicação. Por meio de exemplo, múltiplos actuadores de movimento linear 230 podem ser combinados em série na direcção 235 para formarem um actuador com uma deflexão cumulativa de todos os actuadores de movimento linear na série. Quando se converte energia eléctrica em energia mecânica, os polímeros electroactivos - ligados quer individualmente quer mecanicamente numa colecção - podem ser referidos como 'músculo artificial'. Para os objectivos daqui, músculo artificial é definido como um ou mais transdutores e/ou actuadores com uma única força e/ou deslocamento de resposta. Um músculo artificial pode ser implementado a um nível micro ou macro e pode compreender qualquer um ou mais dos actuadores descritos aqui. A FIG. 2F ilustra uma vista lateral de secção transversal de um actuador de multicamada 240 como um exemplo de músculo artificial. O actuador de multicamada 240 inclui quatro polímeros pré-deformados 241 dispostos em paralelo e cada um ligado a um quadro rígido 242 tal que os mesmos têm a mesma deflexão. Os eléctrodos 243 e 244 são colocados em superfícies opostas de cada polímero 241 e garantem actuação electrostática simultânea para os quatro polímeros pré-deformados 241. O actuador de multicamada 240 garante resposta de força cumulativa das camadas de polímeros individuais 241.

As múltiplas camadas de polímero electroactivo podem ser utilizadas em vez de um polímero para aumentar a resposta de força ou pressão de um actuador. Por exemplo, dez polímeros electroactivos podem ser colocados em camadas para aumentarem a resposta de pressão do actuador de diafragma da FIG. ΙΕ. A 21 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ FIG. 2G ilustra um actuador 245 de diafragma multicamada em pilha como outro exemplo de músculo artificial. 0 actuador 245 multicamada em pilha inclui três camadas de polímero 246 colocadas em camadas umas sobre as outras e podem ser ligadas por camadas adesivas 247. Dentro das camadas adesivas 247 estão eléctrodos 248 e 249 que garantem actuação às camadas de polímero 246. Uma placa relativamente rígida 250 está ligada à camada de polímero mais exterior e modelada para incluir orifícios 251 que permitem deflexão para o actuador 245 de diafragma multicamada em pilha. Ao combinar as camadas de polímero 246, o actuador 245 multicamada em pilha garante resposta de força cumulativa das camadas de polímero individual 246.

Além do actuador de movimento linear 230 das FIGS. 2D e 2E, os polímeros electroactivos podem ser incluídos numa variedade de actuadores que garantem deslocamento linear. A FIG. 2H ilustra um actuador linear 255 que compreende um diafragma de polímero electroactivo 256. Neste caso, um veio de saída 257 está ligado a uma porção central do diafragma 256 que deflecte num orifício 258 de um quadro 261. Após actuação e remoção de energia electrostática, o veio de saída 257 desloca-se como indicado pela seta 259. O actuador linear 255 também pode incluir um órgão de mola flexível 260 que ajuda a posicionar o veio de saída 257.

Os polímeros pré-deformados podem ser enrolados ou dobrados em transdutores e actuadores lineares que deflectem de forma axial após actuação. Como o fabrico de polímeros electroactivos é muitas vezes mais simples com poucas camadas, os actuadores enrolados proporcionam uma forma eficiente de apertar camadas grandes de polímero numa forma compacta. Transdutores e actuadores enrolados ou dobrados podem incluir uma ou mais camadas de polímero enrolado ou dobrado para disponibilizarem várias camadas de polímero adjacentes entre si. Os actuadores enrolados ou dobrados são aplicáveis sempre que forem utilizados actuadores lineares, tais como pernas e dedos robóticos, garras de grande força e actuadores lineares de aplicação geral. A FIG. 21 ilustra um actuador 262 do tipo "inchworm". O actuador 262 do tipo "inchworm" inclui duas ou mais camadas 22 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ de polímero pré-deformado enrolado com eléctrodos 263 que deflectem de forma axial ao longo do seu eixo cilíndrico. 0 actuador 262 do tipo "inchworm" também inclui grampos electrostáticos 264 e 265 para ligar e desligar a uma superfície de metal 268. Os grampos electrostáticos 264 e 265 permitem que o curso total para o actuador 262 do tipo "inchworm" seja aumentado em comparação com um actuador sem grampos. Como a força de aperto por unidade de peso para os grampos electrostáticos 264 e 265 é elevada, as vantagens da força por unidade de peso de polímeros pré-deformados são preservadas com o actuador 262 do tipo "inchworm". Os grampos electrostáticos 264 e 265 são ligados ao actuador do tipo "inchworm" em regiões de ligação 267. 0 corpo 266 do actuador do tipo "inchworm" inclui as regiões de ligação 267 e o polímero 263 e tem um grau de liberdade ao longo da direcção axial do polímero enrolado 263 entre as regiões de ligação 267. Os grampos electrostáticos 264 e 265 podem incluir um adesivo isolante 269 que evita curto-circuito eléctrico entre os grampos electrostáticos condutores 264 e 265 e a superfície de metal 268. 0 actuador 262 do tipo "inchworm" desloca-se para cima num processo de seis passos. No passo um, o actuador 262 do tipo "inchworm" é imobilizado nas suas extremidades respectivas quando os dois grampos electrostáticos 264 e 265 são actuados e o polímero 263 é libertado. Um grampo electrostático é actuado por aplicação de diferença de tensão entre o grampo e a superfície de metal 268. No passo dois, o grampo 265 é libertado. A libertação de um dos grampos 264 e 265 permite que a sua respectiva extremidade do actuador 262 do tipo "inchworm" se desloque livremente. No passo três, o polímero electroactivo 263 é actuado e prolonga o actuador 262 do tipo "inchworm" para cima. No passo quatro, o grampo 265 é actuado e o actuador 262 do tipo "inchworm" é imobilizado. No passo cinco, o grampo 264 é libertado. No passo seis, o polímero 263 é libertado e o actuador 262 do tipo "inchworm" contrai. Ao repetir ciclicamente os passos de um a seis, o actuador 262 do tipo "inchworm" desloca-se no sentido para cima. Ao comutar os grampos 264 e 265 no processo de seis passos acima, o actuador 262 do tipo "inchworm" desloca-se no sentido inverso. 23 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ

Apesar do actuador 262 do tipo "inchworm" ter sido descrito em termos de actuação com a utilização de um único polímero electroactivo e dois grampos, podem ser implementados actuadores do tipo "inchworm" de múltiplos segmentos com a utilização de múltiplos polímeros electroactivos. Actuadores do tipo "inchworm" de múltiplos segmentos permitem que um actuador do tipo "inchworm" aumente em comprimento sem ficar mais espesso. Um actuador do tipo "inchworm" de dois segmentos utilizaria dois polímeros enrolados em vez de um e três grampos em vez de dois. Em geral, um actuador do tipo "inchworm" de n segmentos compreende n actuadores entre n+1 grampos. A FIG. 2j ilustra um actuador de película estirada 270 para garantir deflexão linear. O actuador de película estirada 270 inclui um quadro rígido 271 com um orifício 272. Um polímero pré-deformado 273 é ligado em tracção com o quadro 271 e transpõe o orifício 272. Uma barra rígida 274 é ligada ao centro do polímero 273 e garante deslocamento externo correspondente à deflexão do polímero 273. O par de eléctrodos 275 e 276 é modelado em ambas as superfícies de topo e de base do polímero 273 nos lados esquerdo e direito respectivamente da barra rígida 274. Quando o par de eléctrodos 275 é actuado, uma porção do polímero 273 entre e na vizinhança do par de eléctrodos de topo e de base 2 75 expande em relação ao resto do polímero 273 e a tracção existente no resto do polímero 273 puxa a barra rígida 274 para se deslocar para a direita. Inversamente, quando o par de eléctrodos 276 é actuado, uma segunda porção do polímero 273 afectada pelo par de eléctrodos 276 expande em relação ao resto do polímero 273 e permite que a barra rígida 274 se desloque para a esquerda. A actuação alternada dos eléctrodos 275 e 276 garante um curso 279 total efectivamente maior para a barra rígida 274. Uma variação deste actuador inclui adição de pré-deformação anisotrópica ao polímero de modo que o polímero tenha elevada pré-deformação (e rigidez) na direcção perpendicular ao deslocamento da barra rígida. Outra variação é eliminar um dos pares de eléctrodos. Para benefício de simplificação da concepção, esta variação reduz o curso 279 para o actuador de película estirada 270. Neste caso, a porção do polímero que deixa de ser utilizada pelo eléctrodo 24 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ removido agora responde de forma passiva como uma mola de restituição. A FIG. 2K ilustra um actuador de haste de flexão 280. O actuador de haste de flexão 280 inclui um polímero 281 fixo a uma extremidade por um suporte rígido 282 e ligado a um material fino flexível 283 tal como poliamida ou mylar com a utilização de uma camada adesiva, por exemplo. O material fino flexível 283 tem um módulo de elasticidade maior do gue o polímero 281. A diferença no módulo de elasticidade para os lados de topo e base 286 e 287 do actuador de haste de flexão 280 obriga o actuador de haste de flexão 280 a dobrar após actuação. Os eléctrodos 284 e 285 estão ligados aos lados opostos do polímero 281 para fornecerem energia eléctrica. O actuador de haste de flexão 280 inclui uma extremidade livre 288 com um único grau de liberdade de flexão. A deflexão da extremidade livre 288 pode ser medida pela diferença no ângulo entre a extremidade livre 288 e a extremidade fixa pelo suporte rígido 282. A FIG. 2l ilustra o actuador de haste de flexão 280 com um ângulo de flexão de 90 graus. O ângulo de flexão máximo para o actuador de haste de flexão 280 varia com uma quantidade de factores que incluem o material polimérico, o comprimento do actuador, a rigidez à flexão dos eléctrodos 284 e 285 e o material fino flexível 283, etc. Para um actuador de haste de flexão 280 que compreende silicone Dow Corning HS3, eléctrodos de ouro e uma área activa de 3,5 mm no comprimento, é possível atingir ângulos de flexão acima de 225 graus. Para o actuador de haste de flexão 280, como o comprimento da área activa aumenta, é possível atingir maiores ângulos de flexão. Em consequência, aumentar o comprimento activo do actuador de haste de flexão referido acima para 5 mm permite um ângulo de flexão que se aproxima de 360 graus.

Numa concretização, um dos eléctrodos pode actuar como o material fino flexível 283. Qualquer metal fino, tal como ouro, com uma baixa rigidez de flexão e uma elevada rigidez tênsil pode ser adequado para um eléctrodo que actua como o material fino flexível 283. Uma camada de barreira pode ser ligada entre um dos eléctrodos 284 e 285 e o polímero 281 para minimizar o efeito de qualquer ruptura localizada no 25 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ polímero. A ruptura pode ser definida como o ponto a que o polímero não pode suportar a tensão aplicada. A camada de barreira é tipicamente mais fina do que o polímero 281 e tem uma constante dieléctrica maior do que o polímero 281 tal que o queda de tensão ocorre principalmente através do polímero 281. É muitas vezes preferível que a camada de barreira tenha uma elevada resistência à ruptura dieléctrica. A FIG. 2M ilustra um actuador de haste de flexão 290. O actuador de haste de flexão 290 inclui polímeros pré-deformados de topo e de base 291 e 292 fixos numa extremidade por um suporte rígido 296. Cada um dos polímeros 291 e 292 pode ser actuado de forma independente. A actuação independente é conseguida ao separar o controlo eléctrico dos eléctrodos de topo e de base 293 e 294 ligados aos polímeros electroactivos de topo e de base 291 e 292, respectivamente. Um eléctrodo comum 295 está situado entre os polímeros electroactivos de topo e de base 291 e 292 e ligado a ambos. O eléctrodo comum 295 pode ser de rigidez suficiente para manter a pré-deformação nas camadas de polímero 291 e 292 enquanto mantém permissão de extensão e flexão.

A actuação do polímero electroactivo de topo 291 com a utilização do par de eléctrodos de topo 293 e 295 leva o actuador de haste de flexão 290 a curvar para baixo. A actuação do polímero de base 292 com a utilização do par de eléctrodos de base 294 e 295 leva o actuador de haste de flexão 290 a curvar para cima. Deste modo, a utilização independente dos polímeros electroactivos de topo e de base 291 e 292 permite que o actuador de haste de flexão 290 seja controlado ao longo de uma direcção radial 297. Quando os polímeros de topo e de base 291 e 292 são actuados em simultâneo - e são de dimensão e material substancialmente semelhantes - o actuador de haste de flexão 290 prolonga-se em comprimento ao longo da direcção linear 298. Ao combinar a capacidade de controlar movimento na direcção radial 297 com a direcção linear 298, o actuador de haste de flexão 290 torna-se um actuador de dois graus de liberdade. Em consequência, a actuação e controlo independentes dos polímeros de topo e de base 291 e 292 permitem que uma extremidade livre 299 do actuador de haste de flexão 290 26 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ execute movimentos complexos tais como percursos circulares ou elípticos.

DESEMPENHO

Um transdutor de acordo com o presente invento converte entre energia eléctrica e energia mecânica. O desempenho do transdutor pode ser caracterizado em termos do próprio transdutor, do desempenho do transdutor num actuador, ou do desempenho do transdutor numa aplicação especifica (por exemplo, uma quantidade de transdutores implementados num motor) . Os polímeros electroactivos pré-deformados com um módulo elástico abaixo de cerca de 100 MPa garantem melhorias substanciais no desempenho do transdutor. A caracterização do desempenho de um transdutor por si próprio refere-se habitualmente às propriedades do material do polímero e dos eléctrodos. O desempenho de um polímero electroactivo pode ser descrito de forma independente da dimensão do polímero por parâmetros tais como deformação, densidade de energia, pressão de actuação, densidade e eficiência da pressão de actuação. Deverá ser salientado que a caracterização do desempenho de polímeros pré-deformados e dos seus respectivos transdutores descrita abaixo pode variar para diferentes eléctrodos e polímeros electroactivos.

Os polímeros pré-deformados do presente invento podem ter um módulo efectivo no intervalo de cerca de 0,1 a cerca de 100 MPa. A pressão de actuação é definida como a variação na força num polímero pré-deformado por unidade de área da secção transversal entre os estados de actuado e não actuado. Em alguns casos, os polímeros pré-deformados do presente invento podem ter uma pressão de actuação no intervalo de cerca de 0 a cerca de 100 MPa e, com maior preferência, no intervalo de 0,1 a 10 MPa. A densidade de energia elástica específica - definida como a energia de deformação de uma unidade de massa do material na transição entre os estados de actuado e não actuado - também pode ser utilizada para descrever um polímero electroactivo onde o peso é importante. Polímeros pré-deformados do presente invento podem ter uma densidade de energia elástica específica acima de 3 J/g. 27 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ Ο desempenho de um polímero pré-deformado também pode ser descrito, de forma independente da dimensão do polímero, por eficiência. A eficiência electromecânica é definida como a relação da resposta de energia mecânica à entrada de energia eléctrica. Eficiência electromecânica maior do que 80 por cento pode ser conseguida com alguns polímeros pré-deformados. O tempo para um polímero pré-deformado subir (ou descer) para a sua pressão de actuação máxima (ou mínima) é referido como o seu tempo de resposta. Polímeros de polímero pré-deformado utilizados de acordo com o presente invento podem acomodar um amplo intervalo de tempos de resposta. Dependendo da dimensão e configuração do polímero, os tempos de resposta podem variar de cerca de 0,01 milissegundos a 1 segundo, por exemplo. Um polímero pré-deformado excitado a uma relação elevada também pode ser caracterizado por uma frequência operacional. As frequências operacionais máximas adequadas para utilização com o presente invento podem estar no intervalo de cerca de 100 Hz a 100 kHz. Frequências operacionais neste intervalo permitem que polímeros pré-deformados sejam utilizados em várias aplicações acústicas (por exemplo, altifalantes). Em algumas concretizações, polímeros pré-deformados podem funcionar numa frequência de ressonância para melhorar a resposta mecânica. O desempenho de um actuador pode ser descrito por um parâmetro de desempenho específico para o actuador. Por meio de exemplo, o desempenho de um actuador de uma certa dimensão e peso pode ser quantificado por parâmetros tais como o curso ou deslocamento, força, tempo de resposta do actuador. A caracterização do desempenho de um transdutor numa aplicação refere-se a como o transdutor é bem concretizado numa aplicação particular (por exemplo em robótica). O desempenho de um transdutor numa aplicação pode ser descrito por um parâmetro de desempenho específico para a aplicação (por exemplo, força/peso unitário em aplicações de robótica). Parâmetros específicos de aplicação incluem curso ou deslocamento, força, tempo de resposta do actuador, resposta em frequência, eficiência, etc. Estes parâmetros podem depender do tamanho, massa e/ou da concepção do transdutor e da aplicação particular. 28 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ

Deverá ser salientado que as propriedades de material desejáveis para um polímero electroactivo podem variar com um actuador ou aplicação. Para produzir grandes pressões de actuação e grande deformação para uma aplicação, pode ser implementado um polímero pré-deformado com um de uma elevada resistência dieléctrica, uma elevada constante dieléctrica e um baixo módulo de elasticidade. Além disso, um polímero pode incluir um de uma elevada resistividade de volume e baixo amortecimento mecânico para maximizar a eficiência de energia para uma aplicação.

ELÉCTRODOS

Como referido acima, os transdutores do presente invento incluem um ou mais eléctrodos para actuação num polímero electroactivo. Em termos gerais, eléctrodos adequados para utilização com o presente invento podem ser de qualquer forma e material desde que os mesmos possam fornecer ou receber uma tensão adequada, quer constante quer com variação ao longo do tempo, para ou de um polímero electroactivo. Numa concretização, os eléctrodos aderem a uma superfície do polímero. Eléctrodos que aderem ao polímero são, de preferência, flexíveis e conformam com variações de forma do polímero. Os eléctrodos podem ser apenas aplicados a uma porção de um polímero electroactivo e definem uma área activa de acordo com a sua geometria.

Os eléctrodos flexíveis conseguem deflexão numa ou mais direcções. Deformação linear pode ser utilizada para descrever a deflexão de um eléctrodo flexível numa destas direcções. Como o termo é utilizado aqui, deformação linear de um eléctrodo flexível remete para a deflexão por unidade de comprimento ao longo de uma linha de deflexão. São possíveis deformações lineares máximas (tênsil ou compressiva), pelo menos, de cerca de 50 por cento para eléctrodos flexíveis do presente invento. Para alguns eléctrodos flexíveis, deformações lineares máximas de, pelo menos, cerca de 100 por cento são comuns. Por certo, um eléctrodo pode deflectir com uma deformação inferior ao máximo. Numa concretização, o eléctrodo flexível é um 'eléctrodo estruturado' que compreende uma ou mais regiões de 29 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ elevada condutividade e uma ou mais regiões de baixa condutividade. A FIG. 3 ilustra uma vista de superfície de planta de um eléctrodo estruturado 501 que garante flexibilidade unidireccional para utilização com o presente invento. O eléctrodo estruturado 501 inclui vestígios de metal 502 modelados em linhas paralelas sobre uma camada de distribuição de carga 503 - ambas as quais cobrem uma área activa de um polímero (não mostrado). Os vestígios de metal 502 e a camada de distribuição de carga 503 são aplicados a superfícies opostas do polímero. Deste modo, a secção transversal, de topo e de base, de um transdutor incluindo eléctrodos estruturados 501 em superfícies opostas é: vestígios de metal de topo, camada de distribuição de carga de topo, polímero, camada de distribuição de carga de base, vestígios de metal de base. Os vestígios de metal 502 em qualquer superfície do polímero actuam como eléctrodos para o material polimérico electroactivo entre os mesmos. Noutra concretização, o eléctrodo de base pode ser um eléctrodo uniforme, flexível. A camada de distribuição de carga 503 facilita a distribuição de carga entre os vestígios de metal 502. Em conjunto, os vestígios de metal de elevada condutividade 502 rapidamente conduzem carga através da área activa para a camada de distribuição de carga de baixa condutividade 503 o que distribui a carga de modo uniforme através da superfície do polímero entre os vestígios 502. A camada de distribuição de carga 503 é flexível. Em consequência, o eléctrodo estruturado 501 permite deflexão numa direcção flexível 506 perpendicular aos vestígios de metal paralelos 502. A actuação para todo o polímero pode ser conseguida ao estender o comprimento dos vestígios de metal paralelos 502 através do comprimento do polímero e por implementação de um número adequado de vestígios 502 através da largura do polímero. Numa concretização, os vestígios de metal 502 são espaçados em intervalos na ordem de 400 mícron e têm uma espessura de cerca de 20 a 100 nanómetro. A largura dos vestígios é tipicamente muito inferior ao espaçamento. Para aumentar a velocidade de resposta global para o eléctrodo estruturado 501, a distância entre os vestígios de metal 502 30 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ pode ser reduzida. Os vestígios de metal 502 podem compreender ouro, prata, alumínio e muitos outros metais e materiais condutores relativamente rígidos. Numa concretização, os vestígios de metal nas superfícies opostas de um polímero electroactivo são separados entre si para melhorar a distribuição de carga através da camada de polímero e evitar rupturas eléctricas directas de metal para metal.

Deflexão dos vestígios de metal paralelos 502 ao longo dos seus eixos maior do que a permissão elástica do material dos vestígios de metal pode conduzir a danificar os vestígios de metal 502. Para evitar danos desta forma, o polímero pode ser constrangido por um corpo rígida que evita deflexão do polímero e dos vestígios de metal 502 ao longo dos seus eixos. Estes órgãos rígidos 232 do actuador de movimento linear das FIGS. 2D e 2E são adequados a este respeito. Noutra concretização, os vestígios de metal 502 podem ser ligeiramente ondulados sobre a superfície do polímero 500. Estas ondulações adicionam flexibilidade aos vestígios 502 ao longo dos seus eixos e permitem deflexão nesta direcção.

Em geral, a camada de distribuição de carga 503 tem uma condutância maior do que o polímero electroactivo mas inferior aos vestígios de metal. As necessidades de condutividade não rígidas da camada de distribuição de carga 503 permitem que seja utilizada uma ampla variedade de materiais. Por meio de exemplo, a camada de distribuição de carga pode compreender negro de fumo, fluoroelastómero com prata coloidal, uma emulsão de borracha látex com base de água com uma pequena percentagem em massa de iodeto de sódio e poliuretano com complexo de transferência de carga tetratiafulavaleno/tetracianoquinodimetano (TTF/TCNQ). Estes materiais podem formar camadas uniformes finas com cobertura uniforme e têm uma condutividade de superfície suficiente para conduzir a carga entre vestígios de metal 502 antes de perdas de carga substanciais nas vizinhanças. Numa concretização, o material para a camada de distribuição de carga 503 é seleccionado com base na constante de tempo RC do polímero. Por meio de exemplo, a resistividade de superfície para a camada de distribuição de carga 503 adequada para o presente invento pode estar no intervalo de 106 a 1011 ohm. 31 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ

Deverá ser salientado que em algumas concretizações, uma camada de distribuição de carga não é utilizada e os vestígios de metal 502 são modelados directamente sobre o polimero. Neste caso, pode ser suficiente ar ou outras espécies quimicas sobre a superfície do polimero para transportar carga entre os vestígios. Este efeito pode ser melhorado com o aumento da condutividade de superfície através de tratamentos de superfície tais como cauterização com plasma ou implantação de iões.

Noutra concretização, múltiplos eléctrodos de metal estão colocados no mesmo lado de um polímero e prolongam a largura do polímero. Os eléctrodos garantem flexibilidade na direcção perpendicular à largura. Dois eléctrodos de metal adjacentes actuam como eléctrodos para o material polimérico entre os mesmos. Os múltiplos eléctrodos de metal alternam desta forma e os eléctrodos em alternância podem estar em comunicação eléctrica para garantirem activação síncrona do polímero. A FIG. 4 ilustra um polímero pré-deformado 510 subjacente a um eléctrodo estruturado que não é flexível de modo direccional. O eléctrodo estruturado inclui vestígios de metal 512 modelados directamente sobre uma superfície do polímero electroactivo 510 em linhas paralelas espaçadas de modo uniforme que formam um padrão em ziguezague. Dois vestígios de metal 512 em superfícies opostas do polímero actuam como eléctrodos para o material polimérico electroactivo 510 entre os mesmos. O padrão em ziguezague dos vestígios de metal 512 permite a expansão e contracção do polímero e do eléctrodo estruturado em múltiplas direcções 514 e 516. A utilização de uma sequência de vestígios de metal como descrito em relação às FIGS. 3 e 4 permite a utilização de camadas de distribuição de carga com uma condutância inferior. De modo mais específico, como o espaçamento entre os vestígios de metal diminui, a condutância necessária do material entre os vestígios pode diminuir. Desta forma, é possível utilizar materiais que não são normalmente considerados condutores para serem utilizados como camadas de distribuição de carga. Por meio de exemplo, polímeros com uma 32 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ resistividade de superfície de IO10 ohm podem ser utilizados desta forma como uma camada de distribuição de carga. Foi utilizada borracha como uma camada de distribuição de carga como parte de um eléctrodo estruturado sobre uma camada de polímero com uma espessura de 25 mícron e espaçamento entre vestígios de metal paralelos de cerca de 500 mícron. Para além da redução da condutância necessária para uma camada de distribuição de carga, vestígios de metal pouco espaçados também aumentam a velocidade de actuação uma vez que a carga necessária apenas se desloca através da camada de distribuição de carga para uma curta distância entre vestígios de metal pouco espaçados.

Apesar dos eléctrodos estruturados terem sido descritos em termos de duas configurações de vestígios de metal específicas; eléctrodos estruturados de acordo com o presente invento podem ser modelados de qualquer forma adequada. Como quem for especializado na técnica notará, vários padrões de vestígios de metal distribuídos de modo uniforme podem garantir carga sobre a superfície de um polímero enquanto garantem flexibilidade numa ou mais direcções. Em alguns casos, um eléctrodo estruturado pode ser ligado à superfície do polímero de um modo não uniforme. Como a actuação do polímero pode estar limitada a uma região activa numa proximidade adequada de um par de vestígios de metal modelados, regiões especializadas activas e não activas para um polímero electroactivo podem ser definidas por padrões personalizados dos vestígios de metal. Estas regiões activas e não activas podem ser formadas para geometrias personalizadas e elevadas resoluções de acordo com técnicas convencionais de deposição de vestígios de metal. A extensão desta prática através de toda a superfície de um polímero electroactivo, padrões personalizados para eléctrodos estruturados que compreendem várias regiões activas de geometria personalizada pode resultar na actuação especializada e não uniforme do polímero electroactivo de acordo com o padrão dos eléctrodos estruturados.

Os 'Eléctrodos texturados' que compreendem a variação de dimensões para fora do plano podem ser utilizados para garantir um eléctrodo flexível. A FIG. 5 ilustra eléctrodos texturados exemplificativos 520 e 521. Os eléctrodos 33 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ texturados 520 e 521 estão ligados a superfícies opostas de um polímero electroactivo 522 de modo que a deflexão do polímero 522 resulta em deformação planar e não planar dos eléctrodos texturados 520 e 521. A flexibilidade planar e não planar dos eléctrodos 520 e 521 é garantida por um padrão não ondulante que, após deflexão planar e/ou de espessura do polímero 522, garante flexibilidade direccional numa direcção 526. Para garantir flexibilidade substancialmente uniforme para os eléctrodos texturados 520 e 521, o padrão ondulante é implementado por toda a superfície do polímero electroactivo na direcção 526. Os eléctrodos texturados 520 e 521 podem ser fabricados em metal com uma espessura que permita flexão sem fractura do metal para garantir flexibilidade. Tipicamente, o eléctrodo texturado 520 é configurado de modo que a deflexão não planar dos eléctrodos 520 e 521 é muito inferior à espessura do polímero 522 a fim de garantir um campo eléctrico substancialmente constante para o polímero 522. Os eléctrodos texturados podem garantir flexibilidade em mais do que uma direcção. Um eléctrodo texturado irregular pode garantir flexibilidade em direcções planas ortogonais. O eléctrodo texturado irregular pode ter uma topografia semelhante à superfície irregular da FIG. 1D.

Os eléctrodos flexíveis podem compreender massa condutora tal como massa de carbono ou massa de prata. A massa condutora garante flexibilidade em múltiplas direcções. Podem ser adicionadas partículas para aumentar a condutividade do polímero. Por meio de exemplo, partículas de carbono podem ser combinadas com um ligante de polímero tal como silicone para produzir massa de carbono que tem baixa elasticidade e condutividade elevada. Outros materiais podem ser misturados na massa condutora para alterar uma ou mais propriedades do material. Massas condutoras de acordo com o presente invento são adequadas para deflexões de, pelo menos, 100 por cento de deformação.

Os eléctrodos flexíveis também podem incluir suspensões coloidais. Suspensões coloidais contêm partículas de dimensão inferior ao mícron, tais como grafite, prata e ouro, num veículo líquido. Em termos gerais, qualquer suspensão coloidal com carga suficiente de partículas condutoras pode ser utilizada como um eléctrodo utilizado de acordo com o 34 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ presente invento. Uma massa condutora que inclui partículas condutoras de dimensão coloidal pode ser misturada com um silicone condutor que inclui partículas condutoras de dimensão coloidal num ligante de silicone para produzir uma suspensão coloidal que cura para formar um semi-sólido condutor. Uma vantagem de suspensões coloidais é que as mesmas podem ser modeladas sobre a superfície de um polímero por pulverização, revestimento por imersão e outras técnicas que permitem um revestimento uniforme fino de um líquido. Para facilitar a adesão entre o polímero e um eléctrodo, pode ser adicionado um ligante ao eléctrodo. Por meio de exemplo, uma borracha de látex à base de água ou silicone podem ser adicionados como um ligante a uma suspensão coloidal que inclui grafite.

Os eléctrodos flexíveis podem ser conseguidos com a utilização de um material condutor com relação de forma elevada, tal como fibrilas de carbono e nanotubos de carbono. Estes materiais de carbono com elevada relação de forma podem formar elevadas condutividades de superfície em camadas finas. Materiais de carbono com elevada relação de forma podem transmitir condutividade elevada à superfície do polímero com espessuras de eléctrodo relativamente baixas devido à elevada interligação dos materiais de carbono com elevada relação de forma. Por meio de exemplo, as espessuras para eléctrodos fabricados em formas comuns de carbono que não têm elevadas relações de forma podem estar no intervalo de 5 a 50 mícron apesar das espessuras para eléctrodos fabricados em fibrila de carbono ou nanotubos de carbono poderem ser inferiores de 2 a 4 mícron. Expansões de área bem acima de 100 por cento em múltiplas direcções são adequadas com eléctrodos de fibrila de carbono e nanotubos de carbono em acrílico e outros polímeros. Materiais de carbono de elevada relação de forma podem incluir a utilização de um ligante de polímero para aumentar adesão com a camada de polímero electroactiva. Com vantagem, a utilização de ligante de polímero permite que um ligante específico seja seleccionado com base na adesão com uma camada de polímero elctroactivo particular e baseada em propriedades elásticas e mecânicas do polímero. 35 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ

Os eléctrodos de carbono de elevada relação de forma podem ser fabricados finos o suficiente de modo que a opacidade dos eléctrodos possa variar de acordo com a deflexão do polimero. Por meio de exemplo, os eléctrodos podem ser feitos finos o suficiente de modo que o eléctrodo varie de opaco para semitransparente após expansão planar. Esta capacidade de manipular a opacidade do eléctrodo pode permitir que transdutores do presente invento sejam aplicados a uma quantidade de várias aplicações ópticas como será descrito abaixo.

As misturas de materiais ionicamente condutores podem ser utilizados para os eléctrodos flexíveis. Isto pode incluir, por exemplo, materiais de polimero à base de água tais como glicerol ou sal em gelatina, borrachas naturais dopadas de iodo e emulsões à base de água às quais são adicionados sais orgânicos tais como iodeto de potássio. Para polimeros electroactivos hidrofóbicos que podem não aderir bem a um eléctrodo à base de água, a superfície do polímero pode ser pré-tratada por cauterização com plasma ou com pó fino tal como grafite ou negro de fumo para aumentar a aderência.

Os materiais utilizados para os eléctrodos podem variar muito. Materiais adequados utilizados num eléctrodo podem incluir grafite, negro de fumo, suspensões coloidais, metais finos que incluem prata e ouro, geles e polímeros cheios com prata e carbono, polímeros ionicamente ou electronicamente condutores. Um eléctrodo adequado para utilização com o presente invento compreende 80 por cento de massa de carbono e 20 por cento de negro de fumo num ligante de borracha de silicone tal como Stockwell RTV60-CON como produzido pela Stockwell Rubber Co. Inc. de Philadelphia, PA. A massa de carbono é do tipo tal como Circuit Works 7200 como fornecido pela ChemTronics Inc. de Kennesaw, GA. A massa condutora também pode ser misturada com um elastómero, tal como elastómero de silício RTV 118 como produzido pela General Electric de Waterford, NY, para fornecer uma massa condutora do tipo gel. É entendido que certos materiais de eléctrodo podem funcionar bem com polímeros particulares e podem não 36 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ trabalhar tão bem com outros. Por meio de exemplo, fibrilas de carbono funcionam bem com polímeros elastómeros acrílicos enquanto não tão bem com polímeros de silicone. Para a maior parte dos transdutores, as propriedades desejáveis para o eléctrodo flexivel pode incluir qualquer um de um módulo de elasticidade baixo, baixo amortecimento mecânico, uma baixa resistividade de superfície, resistividade uniforme, estabilidade quimica e ambiental, compatibilidade quimica com o polímero electroactivo, boa aderência ao polímero electroactivo e uma capacidade para formar superfícies suaves. Em alguns casos, pode ser desejável para o material eléctrodo que seja adequado para modelação precisa durante o fabrico. Por meio de exemplo, o eléctrodo flexível pode ser revestido por pulverização sobre o polímero. Em alguns casos, as propriedades de material que beneficiam de revestimento por pulverização seriam desejáveis. Nestes casos, um transdutor do presente invento pode implementar dois tipos diferentes de eléctrodos. Por meio de exemplo, um actuador de diafragma pode ter um eléctrodo estruturado ligado à sua superfície de topo e um material de carbono de elevada relação de forma depositado sobre o lado de base.

Os accionadores electrónicos estão ligados aos eléctrodos. A tensão fornecida ao polímero electroactivo depende de características da aplicação. Numa concretização, um transdutor do presente invento é accionado electricamente por modulação de uma tensão aplicada em torno de uma tensão de polarização CC. A modulação em torno de uma tensão de polarização permite sensibilidade e linearidade melhoradas do transdutor para a tensão aplicada. Por meio de exemplo, um transdutor utilizado numa aplicação áudio pode ser accionado por um sinal de até 200 a 1000 volts pico a pico no topo de uma tensão de polarização que varia de cerca de 750 a 2000 volts CC.

APLICAÇÕES

Como o presente invento inclui transdutores que podem ser implementados tanto à escala micro como macro e com uma ampla variedade de concepções de actuadores, o presente invento encontra utilização numa grande gama de aplicações onde energia eléctrica é convertida em energia mecânica. 37 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ

Abaixo são apresentadas várias aplicações exemplificativas para alguns dos actuadores descritos acima. Em termos gerais, os transdutores do presente invento podem encontrar utilização em gualguer aplicação que necessite de conversão de energia mecânica em energia eléctrica.

Como referido antes, polímeros electroactivos, quer de forma individual, quer ligados de forma mecânica numa colecção, podem ser referidos como músculo artificial. 0 termo músculo artificial por si próprio implica que estes actuadores são bem adequados para aplicação em robots inspirados biologicamente ou aplicações biomédicas onde se deseje a duplicação de músculo, mamífero ou outro. Por meio de exemplo, aplicações tais como membros protéticos, exoesqueletos e corações artificiais podem beneficiar de polímeros pré-deformados do presente invento. A escalonabilidade da dimensão de polímeros electroactivos e a capacidade para utilizar qualquer número de transdutores ou actuadores de polímeros numa colecção permite que seja utilizado músculo artificial de acordo com o presente invento numa gama de aplicações maior do que as suas correspondentes biológicas. Como os transdutores e actuadores do presente invento têm um intervalo de desempenho muito para além das suas correspondentes biológicas, o presente invento não está limitado a músculo artificial com um desempenho correspondente ao músculo real e pode, na verdade, incluir aplicações que necessitem de desempenho para além daquele do músculo real.

Num exemplo de músculo artificial, uma colecção de actuadores de movimento linear compreende duas ou mais camadas de polímero pré-deformado intercalado em conjunto e ligado a duas placas rígidas em margens opostas de cada polímero. Eléctrodos são vedados no centro entre cada uma das camadas de polímero. Todos os actuadores de movimento linear na colecção podem tirar vantagem de restrições geométricas garantidas pelas placas rígidas e pré-deformação anisotrópica para restringir a deformação do polímero na direcção actuada. Uma vantagem do corpo por camada é que tantas camadas de polímero electroactivo quantas as necessárias podem ser empilhadas em paralelo a fim de produzir a força desejada. Para além disso, o curso desta configuração de actuador de 38 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ movimento linear pode ser aumentado por adição de actuadores de movimento linear semelhantes em série.

No domínio micro, os polímeros pré-deformados podem variar em espessura de vários mícron a vários milímetros e, de preferência, de vários mícron a centenas de mícron. Os micropolímeros pré-deformados são bem adequados para aplicações tais como tinteiros, válvulas actuadas, microbombas, actuadores do tipo "inchworm", espelhos apontadores, geradores de som, micro grampos e aplicações micro robóticas. Aplicações micro robóticas podem incluir micro pernas robóticas, garras, actuadores de apontador para câmaras CCD, alimentadores de fio para micro soldadura e reparação, actuadores de aperto para manter posições rígidas e actuadores ultra-sónicos para transmitir dados a distâncias medidas. Noutra aplicação, um actuador de diafragma pode ser implementado numa sequência de diafragmas de polímero electroactivo semelhantes numa configuração planar numa única superfície. Por meio de exemplo, uma sequência pode incluir sessenta e dois diafragmas com o diâmetro de 150 mícron cada dispostos numa configuração planar. Numa concretização, a sequência de actuadores de diafragma pode ser formada numa bolacha de silício. Sequências de actuadores de diafragma produzidos desta forma podem incluir, por exemplo, de 5 a 10.000 ou mais diafragmas cada um com um diâmetro no intervalo de 60 a 150 mícron. A sequência pode ser colocada sobre placas de grelha com orifícios espaçados de forma adequada para cada diafragma.

No domínio macro, cada um dos actuadores descrito acima pode ser bem equipado para o seu próprio conjunto de aplicações. Por exemplo, o actuador do tipo "inchworm" da FIG. 21 é adequado para utilização com pequenos robots que podem navegar através de tubos com menos de 2 cm de diâmetro. Outros actuadores são bem equipados, por exemplo, com aplicações tais como robótica, solenoides, geradores de som, actuadores lineares, actuadores aeroespaciais e automação em geral.

Noutra concretização, um transdutor do presente invento é utilizado como um dispositivo de modulação óptica ou um interruptor óptico. O transdutor inclui um eléctrodo cuja 39 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ opacidade varia com a deflexão. Um polímero transparente ou substancialmente translúcido pré-deformado é ligado ao eléctrodo de variação de opacidade e a deflexão do polímero é utilizada para modular a opacidade do dispositivo. No caso de um interruptor óptico, o transdutor de variação de opacidade interrompe uma fonte de luz que comunica com um sensor de luz. Deste modo, a deflexão do polímero transparente leva o eléctrodo de variação de opacidade a deflectir e afecta o sensor de luz. 0 eléctrodo de variação de opacidade pode incluir fibrilas de carbono ou nanotubos de carbono que ficam menos opacos à medida que a área do eléctrodo aumenta e a densidade de fibrila na área diminui. Um dispositivo de modulação óptico fabricado num polímero electroactivo e um eléctrodo de variação de opacidade podem ser concebidos para modular de forma precisa a quantidade de luz transmitida através do dispositivo.

Actuadores de diafragma podem ser utilizados como bombas, válvulas, etc. Um actuador de diafragma com um polímero pré-deformado é adequado para utilização como uma bomba. A acção de bombagem é criada pela actuação repetida do polímero. As bombas de polímero electroactivo de acordo com o presente invento podem ser implementadas tanto à escala micro como macro. Por meio de exemplo, o diafragma pode ser utilizado como uma bomba que tem um diâmetro no intervalo de cerca de 150 mícron a cerca de 2 centímetros. Estas bombas podem incluir deformações de polímero acima de 100 por cento e podem produzir pressões de 20 kPa ou mais. A FIG. 6 ilustra um sistema de bombagem em cascata de dois estágios que inclui bombas de diafragma 540 e 542. As bombas de diafragma 540 e 542 incluem polímeros pré-def ormados 544 e 546 ligados a quadros 545 e 547. Os polímeros 544 e 546 deflectem nos orifícios 548 e 550 nos quadros 545 e 547 respectivamente numa direcção perpendicular ao plano dos orifícios 548 e 550. Os quadros 545 e 547 em conjunto com os polímeros 544 e 546 definem cavidades 551 e 552. A bomba 540 inclui um êmbolo 553 que tem uma mola 560 para garantir uma força ao diafragma 544 em direcção à cavidade 551. 40 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ

Uma válvula unidireccional 555 permite entrada de um fluido ou gás na cavidade 551. Uma válvula unidireccional 556 permite a saida do fluido ou gás da cavidade 551 para a cavidade 552. Além disso, uma válvula unidireccional 558 permite a saida do fluido ou gás da cavidade 552. Após a actuação dos polímeros 544 e 546, os polímeros deflectem à vez para alterarem a pressão nas cavidades 551 e 552 respectivamente, movendo, deste modo, fluido ou gás da válvula unidireccional 555 para a cavidade 551, fora da válvula 556, para a cavidade 552 e fora da válvula 558.

No sistema de bombagem em cascata de dois estágios da FIG. 6, a bomba de diafragma 542 não inclui uma força uma vez que a saída pressurizada da bomba de diafragma 540 polariza a bomba 542. Num caso, apenas a primeira bomba numa série em cascata de bombas de diafragma utiliza uma pressão de desvio - ou qualquer outro mecanismo para auto-injecção. Em alguns casos, as bombas de diafragma previstas numa sequência podem incluir tensões disponibilizadas por temporização electrónica para aumentar a eficiência de bombagem. Na arquitectura mostrada na FIG. 6, os polímeros 544 e 546 são actuados em simultâneo para melhor desempenho. Para outras arquitecturas que possam envolver mais bombas de diafragma na cascata, a temporização electrónica para os diferentes actuadores é idealmente definida de modo a que uma bomba contrai no volume da cavidade enquanto a bomba seguinte na série (como determinado pelas válvulas unidireccionais) expande. Numa arquitectura específica, a bomba de diafragma 540 fornece gás a uma taxa de 40 ml/min e uma pressão de cerca de 1 kPa enquanto a bomba de diafragma 542 fornece gás substancialmente à mesma relação de caudal mas aumenta a pressão para 2,5 kPa.

Actuadores de haste de flexão, tais como os descritos em relação às FIGS. 2K a 2M, podem ser utilizados numa variedade de dispositivos comerciais e aeroespaciais e aplicações tais como ventiladores, interruptores e relés eléctricos e detectores de luz - ao nível micro e macro. Para actuadores de haste de flexão utilizados como detectores de luz, uma superfície de reflexão tal como mylar aluminizado pode ser ligada à extremidade livre de um actuador de haste de flexão. De forma mais específica, a luz é reflectida quando a haste 41 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ de flexão é actuada e a luz passa quando a haste de flexão está em repouso. O reflector pode então ser utilizado para reflectir a luz incidente e formar um feixe de rastreio para formar um arco ou linha de acordo com a deflexão do actuador. Sequências de actuadores de haste de flexão também podem ser utilizados para visores de painel plano, para controlar fluxo de ar sobre uma superfície, para altifalantes de baixo perfil e supressores de vibração, com "forro inteligente" para controlar transferência de calor e/ou a absorção de luz sobre uma superfície e pode actuar como cílios numa forma coordenada para manipular objectos.

Polímeros e películas de polímeros que são enrolados num actuador de cilindro multicamada ou tubular podem ser implementados como um êmbolo que se expande de forma axial após actuação. Um actuador deste tipo é análogo a um êmbolo hidráulico ou pneumático e pode ser implementado em qualquer dispositivo ou aplicação que utilize estas formas tradicionais de deflexão linear.

Um actuador de polímero electroactivo também pode funcionar a velocidades elevadas para uma variedade de aplicações que incluem geradores de som e altifalantes acústicos, impressoras de jacto de tinta, interruptores mems rápidos, etc. Numa arquitectura específica, um diafragma de polímero electroactivo é utilizado como um detector de luz. De forma mais específica, um espelho pode ser colocado sobre uma curvatura que impele para baixo num diafragma de polímero electroactivo de 5 mm de diâmetro para proporcionar uma curvatura espelhada. 0 bom escrutínio de imagens num ângulo de varrimento de cerca de 10 a 30 graus pode ser concretizado com tensões no intervalo de cerca de 190 a 300 volts e frequências no intervalo de cerca de 30 a 300 Hz. Ângulos de varrimento muito maiores, até 90 graus por exemplo, também podem ser acomodados com a utilização de tensões no intervalo de 400 a 500V. Além disso, podem ser utilizadas frequências maiores com uma curvatura espelhada mais rígida.

FABRICO

Como os polímeros pré-deformados podem ser implementados tanto à escala micro como à macro, numa ampla variedade de 42 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ concepções de actuadores, com uma ampla gama de materiais e numa larga gama de aplicações, os processos de fabrico utilizados com o presente invento podem variar muito. A FIG. 7A ilustra um fluxo de processo 600 para fabrico de um dispositivo electromecânico com, pelo menos, uma camada de polímero electroactivo. Em alguns casos, os processos de fabrico do presente invento podem incluir materiais convencionais e técnicas tais como os polímeros disponíveis comercialmente e técnicas utilizadas no fabrico de tecnologias de micro electrónica e electrónica. Por exemplo, micro actuadores de diafragma podem ser produzidos no lugar em silício com a utilização de técnicas convencionais para formar os orifícios e aplicar ao polímero e eléctrodos. O fluxo de processo 600 começa por receber ou fabricar um polímero (602) . O polímero pode ser recebido ou fabricado de acordo com vários métodos. O polímero pode ser um produto disponível comercialmente tal como uma película de elastómero acrílico disponível comercialmente ou uma película produzida por um de moldagem por vazamento, imersão, revestimento por rotação ou pulverização. O polímero pode ser produzido com minimização de variações na espessura ou quaisquer outros defeitos que possam comprometer a maximização do campo eléctrico que pode ser aplicado através do polímero e, deste modo, comprometer o desempenho.

Revestimento por rotação tipicamente envolve a aplicação de uma mistura de polímero sobre um substrato rígido e fazer girar até uma espessura desejada. A mistura de polímero pode incluir o polímero, um agente de cura e um solvente ou dispersante volátil. A quantidade de dispersante, a volatilidade do dispersante e a velocidade de rotação podem ser alterados para produzir um polímero desejado. Por meio de exemplo, películas de poliuretano podem ser revestidas numa solução de poliuretano e tetrahidrofurano (TF) ou ciclohexanona. No caso dos substratos de silício, o polímero pode ser revestido por rotação sobre um plástico aluminizado ou um carboneto. O carboneto de alumínio e silício formam uma camada de sacrifício que é subsequentemente removida por um cauterizador adequado. Películas no intervalo de um mícron de espessura podem ser produzidas por revestimento por rotação 43 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ desta forma. Ο revestimento por rotação de películas de polímero, tais como silicone, pode ser feito num substrato de plástico, não adesivo, suave, tal como um polimetilmetacrilato ou teflon. A película de polímero pode então ser libertada por descolagem mecânica ou com o auxílio de álcool ou outro agente de desprendimento adequado. Revestimento por rotação também é adequado para produzir polímeros mais espessos no intervalo de 10 a 750 mícron. Em alguns casos, a mistura de polímero pode ser centrifugada antes do revestimento por rotação para remover materiais indesejados tais como enchimentos, partículas, impurezas e pigmentos utilizados nos polímeros comerciais. Para aumentar a eficácia centrífuga ou para aumentar a consistência de espessura, um polímero pode ser diluído num solvente para reduzir a sua viscosidade; por exemplo, silicone pode ser distribuído em nafta. O polímero é então pré-deformado numa ou mais direcções (604). A pré-deformação pode ser conseguida por estiramento mecânico de um polímero numa ou mais direcções e fixação do mesmo a um ou mais órgãos sólidos (por exemplo, placas rígidas) enquanto deformado. Outra técnica para manter pré-deformação inclui a utilização de um ou mais reforços. Os reforços são estruturas rígidas longas colocadas num polímero enquanto o mesmo está num estado pré-deformado, por exemplo, enquanto o mesmo está estirado. Os reforços mantêm a pré-deformação ao longo dos seus eixos. Os reforços podem ser dispostos em paralelo ou noutras configurações para se conseguir flexibilidade direccional do transdutor. Deverá ser salientado que a rigidez aumentada ao longo do eixo de reforço compreende a rigidez aumentada garantida pelo material de reforço bem como a rigidez aumentada do polímero na direcção de pré-deformação.

As superfícies no polímero pré-deformado são texturadas. Para garantir textura, um polímero pode ser estirado mais do que o mesmo pode estirar quando actuado e uma camada fina de material rígido é depositada na superfície de polímero estirado. Por exemplo, o material rígido pode ser um polímero que é curado enquanto o polímero electroactivo é estirado. Depois de curado, o polímero electroactivo é libertado e o corpo deforma para garantir a superfície texturada. A rigidez 44 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ do material rígido pode ser alterada para garantir textura em qualquer escala, incluindo níveis inferiores ao mícron. Noutro processo, superfícies texturadas são produzidas por cauterização por ião reactivo (RIE). Por meio de exemplo, RIE pode ser realizada num polímero pré-deformado que compreende silício com um gás RIE que compreende 90 por cento de tetrafluoreto de carbono e 10 por cento de oxigénio para formar uma superfície com depressões e cristãs de ondas de 4 a 5 mícron de profundidade.

Um ou mais eléctrodos são então formados no polímero (606). Para o polímero de silicone alterado pela RIE referida acima, uma camada fina de ouro pode ser deposição por pulverização catódica sobre a superfície texturada RIE para garantir um eléctrodo texturado. Em alternativa, um ou mais eléctrodos de grafite podem ser modelados e depositados com a utilização de um estêncil. Eléctrodos que compreendem massas condutoras misturadas com um silicone condutor podem ser fabricados por dissolução da massa condutora e do silicone condutor não curado num solvente. A solução pode então ser pulverizada sobre o material polimérico electroactivo e pode incluir uma máscara ou estêncil para conseguir um padrão particular.

Os vestígios de metal dos eléctrodos estruturados das FIGS. 3 e 4 podem ser modelados de modo fotolitográfico no topo do polímero ou na camada de distribuição de carga. Por meio de exemplo, uma camada de ouro é deposição por pulverização catódica antes da deposição de uma foto resistência através do ouro. A foto resistência e o ouro podem ser modelados de acordo com as técnicas fotolitográficas convencionais, por exemplo, com a utilização de uma máscara seguida por uma ou mais lavagens para remover a foto resistência. Uma camada de distribuição de carga adicionada entre o polímero e os vestígios de metal podem ser depositados por revestimento por rotação, por exemplo.

Num método específico, um eléctrodo estruturado é formado sobre um polímero por deposição por pulverização catódica ouro durante cerca de 2 a 3 minutos (de acordo com uma espessura desejada) a cerca de 150 angstrõm por minuto. A foto resistência hpr 506 como fornecida pela Arch Chemicals, 45 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ de Norwalk, Connecticut é então revestida por rotação sobre o ouro a cerca de 500 a 1500 rpm durante cerca de 20 a 30 segundos e depois cozida a cerca de 90 graus Celsius. Uma máscara é então aplicada antes da exposição da foto resistência a luz UV e revelação para remover as porções não protegidas pela máscara da foto resistência. O ouro é então cauterizado e a película é lavada. A foto resistência restante é removida por exposição a luz UV, revelação e lavagem. Os vestígios de ouro podem então ser estirados para melhorar a tolerância a deformação.

Os eléctrodos texturados podem então ser modelados de modo fotolitográfico. Neste caso, uma foto resistência é depositada sobre um polímero pré-deformado e modelada com a utilização de uma máscara. Cauterização com plasma pode remover porções do polímero electroactivo não protegido pela máscara num padrão desejado. A máscara pode ser subsequentemente removida por um cauterizador húmido adequado. As superfícies activas do polímero podem então ser cobertas com a camada fina de ouro depositado por pulverização catódica, por exemplo. O transdutor, que compreende uma ou mais camadas de polímero e eléctrodos, é então embalado de acordo com uma aplicação (608). A embalagem pode também incluir montagem de múltiplos transdutores ligados de forma mecânica ou empilhados como múltiplas camadas. Além disso, ligações mecânicas e eléctricas aos transdutores podem ser formadas de acordo com uma aplicação. O presente invento também garante métodos alternativos para fabricar dispositivos electromecânicos que incluem múltiplas camadas de polímero pré-deformado. Numa concretização, um processo para fabricar dispositivos electromecânicos começa pela obtenção ou fabrico de uma camada de polímero. O polímero é então estirado para a pré-deformação desejada e ligado a um primeiro quadro rígido. Os eléctrodos seguintes são depositados nos dois lados do polímero de modo a definir áreas activas e estabelecer ligações eléctricas. Os eléctrodos podem ser modelados por uma variedade de técnicas bem conhecidas tais como revestimento por pulverização através de uma máscara. Se 46 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ desejado, é então estirada uma segunda camada de polímero num segundo quadro. Os eléctrodos são então modelados nesta segunda camada de polímero. A segunda camada de polímero é então ligada à primeira camada por empilhamento dos seus respectivos quadros. As camadas de adesivos flexíveis adequados podem ser utilizadas para ligar as duas camadas e os eléctrodos, se necessário. A dimensão dos quadros é escolhida de modo a não interferirem com as camadas de polímero que fazem contacto estrito. Se houver interferência, então pode ser desejável remover o segundo quadro, por exemplo, por corte da camada de polímero à volta da periferia do primeiro quadro. Se desejado, uma terceira camada de polímero com eléctrodos pode ser adicionada de uma forma semelhante ao modo como a segunda camada foi adicionada à primeira. Este procedimento pode ser continuado até que um número desejado de camadas seja conseguido.

Os quadros rígidos, órgãos rígidos ou outros órgãos de ligação mecânica e eléctrica são então ligados às camadas de polímero, por exemplo, por colagem. Se desejado, o polímero pode então ser removido do primeiro quadro. Em alguns quadros, o primeiro quadro pode servir como uma parte estrutural do actuador ou actuadores finais. Por exemplo, o primeiro quadro pode ser uma sequência de orifícios para produzir uma sequência de actuadores de diafragma.

As FIGS. 7B a F ilustram um segundo processo para fabricar um dispositivo electromecânico 640 com múltiplas camadas de polímero electroactivo. O processo começa pela produção de um polímero pré-deformado 622 sobre um substrato rígido adequado 624, por exemplo, por revestimento por rotação um polímero sobre um disco de polimetilmetacrilato (PMMA), estirar o polímero (FIG. 7B) e depois ligar o mesmo ao substrato rígido 624. Depois o polímero 622 é curado, os eléctrodos 625 são modelados sobre o lado exposto 626 do polímero 622. Um órgão sólido 627 tal como uma película flexível que inclui um de poliimida, mylar ou película de acetato é então depositado no polímero electroactivo 622 (FIG. 7C) com um adesivo adequado 628. O substrato rígido 624 é então libertado do polímero electroactivo 622 (FIG. 7D). Um agente de desprendimento tal 47 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ como álcool isopropilo pode ser utilizado para facilitar o desprendimento. Os eléctrodos 629 são então modelados no lado anteriormente não exposto do polímero 622. A montagem é então ligada a outra camada de polímero eletroactivo 630 ligado a um substrato rígido 631 (FIG. 7E). As camadas de polímero 622 e 630 podem ser ligadas por uma camada adesiva 632 que compreende silicone GE RTV 118, por exemplo. O substrato rígido 631 é então libertado do polímero 630 e os eléctrodos 633 são modelados sobre o lado disponível 634 do polímero 630. Se forem desejadas camadas adicionais de polímero, os passos de adicionar uma camada de polímero, remoção do substrato rígido e adição de eléctrodos podem ser repetidos para produzir tantas camadas de polímero quanto desejado. A camada de polímero 635 foi adicionada desta forma. Para facilitar a comunicação eléctrica com os eléctrodos nas camadas interiores do dispositivo 640, uma cavilha de metal pode ser impelida através do corpo para fazer contacto com os eléctrodos em cada camada. 0 órgão sólido 627 pode então ser modelado ou removido conforme necessário para garantir o quadro e as ligações mecânicas necessárias pelo tipo de actuador específico. Os actuadores de diafragma podem ser formados por modelação do órgão sólido 627 para formar orifícios 636 que garantem regiões activas para o dispositivo electromecânico 640 com a utilização de uma técnica de máscara ou cauterização adequada (FIG. 7F) . Se a área activa não for grande e os eléctrodos poderem ser adicionados às regiões activas dos polímeros sem dano, o órgão sólido 627 pode ser modelado com os orifícios 636 antes da ligação ao polímero 622.

Para o processo das Figs. 7B a F, o substrato rígido 624 é tipicamente libertado do polímero electroactivo 622 por descolagem do polímero electroactivo flexível. A descolagem é bem adequada para fabricar dispositivos que compreendem polímeros electroactivos com um perfil substancialmente plano. São utilizadas camadas de sacrifício entre o polímero ou os eléctrodos e o substrato rígido para facilitar o desprendimento. As camadas de sacrifício permitem que o polímero, os eléctrodos e a montagem ligada sejam libertados de um substrato rígido por cauterização da camada de sacrifício. Metais compreendendo alumínio e prata são 48 ΕΡ 1 221 180/ΡΤ adequados para utilização como camadas de sacrifício, por exemplo. A utilização de metais permite que as camadas de sacrifício sejam cauterizadas por líquidos que não afectam as camadas de polímero. Camadas de sacrifício de metal também podem ser facilmente modeladas com várias técnicas de máscara para garantir quadros, órgãos de ligação para outros componentes estruturais para o dispositivo electromecânico 640. As camadas de sacrifício também podem ser utilizadas para fabricar dispositivos que compreendem transdutores com perfis não planos, por exemplo com a utilização de substratos rígidos conformados como tubos. Para transdutores geometricamente complexos, as camadas de sacrifício podem ser utilizadas em combinação com revestimento por imersão para garantir a geometria complexa.

Apesar do fabrico de polímeros pré-deformados ter sido descrito de forma breve com referência a alguns exemplos específicos, o processo e as técnicas de fabrico podem variar de acordo com qualquer dos actuadores ou aplicações descritas acima. Por exemplo, o processo para fabricar um actuador de diafragma pode incluir revestimento por rotação de um polímero sobre um substrato antes de um eléctrodo estruturado ser fabricado sobre o polímero. O polímero é então estirado e quadros rígidos que incluem um ou mais orifícios dimensionados para a área activa de cada actuador de diafragma são ligados ao polímero pré-deformado, incluindo quaisquer porções sobrepostas do eléctrodo estruturado. Noutro processo, são cauterizados orifícios no substrato em vez da utilização de um quadro rígido separado, por exemplo, quando o substrato compreende silício. O substrato é então libertado do polímero e um eléctrodo é ligado ao lado da base do polímero.

Lisboa, 2010-11-18

Claims

ΕΡ 1 221 180/ΡΤ 1/6 REIVINDICAÇÕES 1 - Método de fabrico de um transdutor que compreende um polímero electroactivo pré-deformado (152, 160) e um ou mais eléctrodos, compreendendo o método: a pré-deformação de modo elástico de um polímero a fim de melhorar uma resposta mecânica do polímero electroactivo em relação a um polímero electroactivo não deformado, - a formação de um ou mais eléctrodos sobre o polímero pré-deformado, e caracterizado por compreender a texturação de uma superfície do polímero electroactivo.
2 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que o polímero é um de um elastómero de silicone, poliuretano, copolímero PVDF ou elastómero adesivo disponível comercialmente.
3 - Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende ainda o revestimento por rotação de uma mistura de polímero para produzir o polímero.
4 - Método de acordo com a reivindicação 3, que compreende ainda o desprendimento do polímero de um substrato rígido utilizado no revestimento por rotação.
5 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que a texturação compreende a ligação de uma camada de material rígida ao polímero electroactivo e o relaxamento do polímero electroactivo e do material rígido.
6 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que a formação de um ou mais eléctrodos compreende a pulverização de um ou mais eléctrodos sobre um polímero com a utilização de uma máscara. ΕΡ 1 221 180/ΡΤ 2/6
7 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que um ou mais eléctrodos são padronizados de modo fotolitográfico sobre o polímero pré-deformado.
8 - Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende ainda a ligação de um órgão sólido a uma porção de um segundo polímero pré-deformado.
9 - Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende ainda a montagem do polímero e de um ou mais eléctrodos num actuador.
10 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que a pré-deformação do polímero compreende a ligação de um elastómero estrutural ao polímero pré-deformado.
11 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que o elastómero estrutural é padronizado.
12 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que a pré-deformação do polímero compreende a ligação de um ou mais reforços.
13 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que o polímero é pré-deformado por um factor no intervalo de cerca de 1,5 vezes a 50 vezes a área original.
14 - Método de acordo com a reivindicação 1, em que uma primeira porção do polímero é pré-deformada para formar o polímero pré-deformado, que compreende ainda o passo de fixar uma segunda porção do polímero pré-deformado a um órgão sólido.
15 - Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, que compreende ainda os passos de pré-deformação de um segundo polímero electroactivo para formar um segundo polímero pré-deformado, de formação de um ou mais eléctrodos sobre o segundo polímero pré-deformado e de ligação do primeiro polímero pré-deformado ao segundo polímero pré-deformado . ΕΡ 1 221 180/ΡΤ 3/6
16 - Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o polímero electroactivo tem um módulo elástico de cerca de 100 MPa.
17 - Método de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que uma área oriqinal do polímero é pré-deformada de modo elástico por um factor no intervalo de 1,5 vezes a 50 vezes a área original do polímero.
18- Transdutor que compreende um polímero electroactivo para converter energia eléctrica em energia mecânica, compreendendo o transdutor, pelo menos, dois eléctrodos e um polímero (152, 160) disposto de uma maneira que obriga uma porção do polímero a deflectir em resposta a uma alteração no campo eléctrico, em que uma porção do polímero é pré- deformada de modo elástico, caracterizada por o polímero ter uma superfície texturada.
19 - Transdutor de acordo com as reivindicações 17 ou 18, em que o transdutor tem uma deformação linear máxima de, pelo menos, cerca de 50 por cento em resposta à alteração no campo eléctrico.
20 - Transdutor de acordo com as reivindicações 18 ou 19, em que a pré-deformação é aplicada a uma primeira direcção ortogonal numa pré-deformação maior do que a pré-deformação numa segunda direcção ortogonal.
21 - Transdutor de acordo com a reivindicação 19, que compreende ainda uma camada de barreira.
22 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 18 a 21, em que o polímero tem uma espessura de entre 1 mícron e 2 milímetros.
23 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 18 a 22, em que a porção do polímero electroactivo deflecte para fora de um plano do polímero electroactivo em resposta à alteração no campo eléctrico. ΕΡ 1 221 180/ΡΤ 4/6
24 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 18 a 23, que compreende ainda um órgão ríqido ligado a uma porção do polímero.
25 - Transdutor de acordo com a reivindicação 24, em que o órgão rígido está incluído num quadro.
26 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 18 a 25, em que um dos, pelo menos, dois, eléctrodos é flexível.
27 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 18 a 26, que compreende ainda um segundo polímero electroactivo, disposto de uma forma que obriga a uma porção do segundo polímero electroactivo a deflectir em resposta a uma segunda alteração no campo eléctrico e o segundo polímero electroactivo é ligado ao primeiro polímero electroactivo pré-deformado.
28 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 18 a 27, que compreende ainda um quadro flexível ligado ao polímero electroactivo, garantindo o quadro auxílio mecânico para melhorar o deslocamento na primeira direcção.
29 - Transdutor de acordo com a reivindicação 22, em que o auxílio mecânico muda a posição de repouso do transdutor.
30 - Transdutor de acordo com a reivindicação 29, em que o polímero compreende pré-deformação numa segunda direcção que melhora o deslocamento na primeira direcção.
31 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 18 a 30, em que o transdutor compreende ainda um órgão flexível com uma extremidade fixa e uma extremidade livre, compreendendo o órgão flexível uma porção do polímero electroactivo pré-deformado.
32 - Transdutor de acordo com a reivindicação 31, em que o órgão flexível tem uma rigidez maior do que o polímero electroactivo. ΕΡ 1 221 180/ΡΤ 5/6
33 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 18 a 32, que ainda compreende: - um quadro ligado a uma segunda porção do polímero electroactivo, compreendendo o quadro, pelo menos, um orifício circular, em que a primeira porção deflecte para fora do plano do, pelo menos, um orifício circular em resposta à alteração no campo eléctrico.
34 - Transdutor de acordo com a reivindicação 33, que compreende ainda uma pressão de desvio adicionada a um primeiro lado do polímero electroactivo.
35 - Transdutor de acordo com a reivindicação 34, em que a pressão de desvio é garantida por um agente de dilatação.
36 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 18 a 19 ou 21 a 26, que compreende ainda um corpo que tem, pelo menos, um grau de liberdade entre uma primeira porção de corpo e uma segunda porção de corpo, incluindo o corpo o polímero ligado à primeira porção de corpo e à segunda porção de corpo; compreendendo também o transdutor um primeiro grampo ligado à primeira porção de corpo e um segundo grampo ligado à segunda porção de corpo.
37 - Transdutor de acordo com a reivindicação 36, em que o polímero electroactivo é enrolado.
38 - Transdutor de acordo com a reivindicação 37, em que o primeiro e o segundo grampos são grampos electroestáticos.
39 - Transdutor de acordo com as reivindicações 18 a 38, em que, pelo menos, dois eléctrodos compreendem uma porção flexível em contacto com o polímero, em que a porção flexível pode deflectir com uma deformação linear máxima de, pelo menos, 50 por cento.
40 - Transdutor de acordo com a reivindicação 39, em que a porção flexível compreende uma ou mais regiões de elevada condutividade e uma ou mais regiões de baixa condutividade. ΕΡ 1 221 180/ΡΤ 6/6
41 - Transdutor de acordo com a reivindicação 39, em que o eléctrodo compreende uma suspensão coloidal.
42 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 38 a 41, em que o eléctrodo compreende uma massa condutora.
43 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 38 a 42, em que o eléctrodo compreende um material de carbono de elevada relação de forma.
44 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 38 a 43, em que o eléctrodo compreende uma mistura de materiais ionicamente condutores.
45 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores 18 a 44, em que o polímero electroactivo tem um módulo elástico inferior a cerca de 100 MPa.
46 - Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores 18 a 45, em que a área original do polímero é pré-deformada de modo elástico por um factor no intervalo de 1,5 vezes a 50 vezes a área original do polímero. Lisboa, 2010-11-18