PT1848046E

PT1848046E - Transdutores de polímeros electroactivos

Info

Publication number: PT1848046E
Application number: PT70156351T
Authority: PT
Inventors: Ronald E Pelrine; Roy D Kornbluh; Qibing Pei; Jose P Joseph
Original assignee: Stanford Res Inst Int
Priority date: 1999-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2012-12-17
Also published as: DK1221180T3; DK2264801T3; EP1848046A2; PT1221180E; EP1221180A2; DE60044940D1; EP1848046A3; JP2009267429A; JP5937044B2; PT2264801E; ES2394501T3; JP5840825B2; ES2394160T3; JP2012095527A; EP2264801A2; EP1221180B1; JP2014014266A; JP2003506858A; AU7052000A; EP2264801B1

Description

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DESCRIÇÃO

"TRANSDUTORES DE POLÍMEROS ELECTROACTIVOS" ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se geralmente a polímeros electroactivos que convertem energia eléctrica em energia mecânica. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a polímeros pré-deformados e o seu uso em actuadores e várias aplicações. A presente invenção também se refere a eléctrodos flexíveis usados para comunicar electricamente com polímeros electroactivos e métodos de fabricar polímeros pré-deformados.

Em muitas aplicações, é desejável converter energia eléctrica em energia mecânica. Aplicações exemplares que requerem transformação de energia eléctrica em mecânica incluem robóticas, bombas, altifalantes, automação geral, accionadores de disco e dispositivos prostéticos. Estas aplicações incluem um ou mais actuadores que convertem energia eléctrica em trabalho mecânico - num nível macroscópico ou microscópico-. Tecnologias comuns de actuador eléctrico, como motores electromagnéticos e solenoides, não são adequados para muitas destas aplicações, por exemplo quando o tamanho de dispositivo requerido é pequeno (por exemplo, micromáquinas ou máquinas de mesoescala). Estas tecnologias também não são ideais quando um grande número de dispositivos deve ser integrado numa estrutura única ou sob várias condições de desempenho tal como quando resposta de densidade de potência alta é requerida em frequências relativamente baixas. Vários "materiais inteligentes' têm sido usados para converter entre energia eléctrica e mecânica com sucesso limitado. Estes materiais inteligentes incluem cerâmicas piezoeléctricas, ligas com memória de forma e materiais magnetostrictivos. Contudo, cada material inteligente tem 2 um número de limitações que evitam o seu uso amplo. Certas cerâmicas piezoeléctricas, como titanato zirconato de chumbo (PZT), têm sido usadas para converter energia eléctrica em mecânica. Enquanto tiver eficiência adequada para umas poucas aplicações, estas cerâmicas piezoeléctricas são tipicamente limitadas a uma deformação inferior a cerca de 1,6 por cento e são muitas vezes não adequadas para aplicações que requerem maiores deformações do que isto. Além disso, a alta densidade destes materiais muitas vezes eliminam-nas de aplicações que requerem pouco peso. Difluoreto de polivinilideno irradiado (PVDF) é um polímero electroactivo que apresenta ter deformação para cima de 4 por cento quando converte energia eléctrica em mecânica. Similar às cerâmicas piezoeléctricas, o PVDF é muitas vezes não adequado para aplicações que requerem deformações superiores a 4 por cento. Ligas com memória de forma, como nitinol, são capazes de grandes respostas de força e deformações. Estas ligas com memória de forma têm sido limitadas de uso amplo devido à eficiência energética inaceitável, tempo de resposta fraco 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 piezoléctricas de cristal único têm de ser desenvolvidas a altas temperaturas ligadas a um processo de arrefecimento lento. PVDF irradiado deve ser exposto a um feixe de electrão para processamento. Ambos estes 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.

Dispositivos de polímero electroactivo de acordo com o estado da tecnologia são revelados por Ronald E. Pelrine et al., "Electrostrição de polímero dieléctrico com eléctrodos 3 flexíveis como meios de actuação", Sensors and Actuators A, vol. 64, p. 77-85, (1998).

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Num aspecto, a presente invenção como definida pelas reivindicações 1 a 26 refere-se a polímeros que são pré-deformados para melhorar conversão entre energia eléctrica e mecânica. Quando uma tensão é aplicada a eléctrodos que contactam um polímero pré-deformado, o polímero deflecte. Esta deflexão pode ser usada para fazer trabalho mecânico. A pré-deformação melhora a resposta mecânica de um polímero electroactivo em relação a um polímero não pré-deformado. A pré-deformação pode variar em diferentes direcções de um polímero para variar a resposta do polímero à tensão aplicada.

Noutro aspecto, a presente invenção refere-se a um método de fabricar um transdutor que inclui um polímero pré-deformado. 0 método compreende pré-deformar um polímero electroactivo para formar o polímero pré-deformado. 0 método também compreende fixar uma porção do polímero pré-def ormado a um membro sólido. 0 método adicionalmente compreende formar um ou mais eléctrodos no polímero pré-def ormado .

Estas e outras características e vantagens da presente invenção serão descritas na seguinte descrição da invenção e figuras associadas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As FIGs.lA e 1B ilustram uma vista em perspectiva de cima de um transdutor antes e depois de aplicação de uma tensão. A FIG.1C ilustra uma superfície texturada para um polímero electroactivo que tem um perfil de 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 transversal de um actuador de diafragma que inclui um polímero electroactivo 4 antes de aplicação de uma tensão. A FIG.1F ilustra uma vista transversal do diafragma de polimero electroactivo da FIG. 1E depois de 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 deflexão.

As FIG.2D e 2E ilustram um actuador de movimento linear antes e depois de actuação. A FIG.2F ilustra uma vista lateral transversal de um actuador que inclui múltiplas camadas de polimero. A FIG.2G ilustra um actuador multicamada em pilha como um exemplo de músculo artificial. A FIG.2H ilustra um actuador linear que compreende um diafragma de polimero electroactivo. A FIG.21 ilustra um actuador de tipo inchworm que inclui um polimero electroactivo enrolado. 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 90 graus. A FIG.2M ilustra um actuador de haste de flexão que inclui duas camadas de polímero. A FIG.3 ilustra um eléctrodo estruturado que proporciona 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 em conformidade com uma forma de realização da presente invenção. A FIG.6 ilustra um sistema de bombagem em cascata bifásico que inclui duas bombas de actuador de diafragma. A FIG.7A ilustra um fluxo de processo para fabricar um 5 dispositivo electromecânico que tem pelo menos um polímero pré-deformado.

As FIGs. 7B-F ilustram um processo para fabricar um dispositivo electromecânico que tem múltiplas camadas de polímero.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DAS FORMAS DE REALIZAÇÃO PREFERIDAS A presente invenção será agora descrita em pormenor com referência a algumas suas formas de realização como ilustrada nos desenhos que acompanham. Na seguinte descrição, numerosos pormenores específicos são apresentados para proporcionar uma compreensão profunda da presente invenção. Será aparente, contudo, a uma pessoa perita na tecnologia que a presente invenção pode ser praticada sem alguns ou todos estes pormenores específicos. Noutros exemplos, estruturas e/ou etapas de processo bem conhecidos não foram descritos em pormenor para não obscurecer desnecessariamente a presente invenção.

1. PANORÂMICA

Polímeros electroactivos deflectem quando actuados por energia eléctrica. Numa forma de realização, um polímero electroactivo refere-se a 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 aspecto, a presente invenção refere-se a polímeros que são pré-deformados para melhorar 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 da presente invenção. A pré-deformação pode variar em 6 diferentes direcções de um polímero. Combinar variabilidade direccional da pré-deformação, diferentes formas de restringir um polímero, escalabilidade de polímeros electroactivos a micro e macro-níveis, e diferentes orientações de polímero (por exemplo, enrolar ou empilhar camadas de polímero individuais) permite uma ampla gama de actuadores que convertem energia eléctrica em trabalho mecânico. Estes actuadores encontram uso numa ampla gama de aplicações.

Como os polímeros electroactivos em transdutores da presente invenção podem deflectir em deformações lineares de pelo menos cerca de 200 por cento, eléctrodos ligados aos polímeros devem também deflectir sem comprometer desempenho mecânico ou eléctrico. Em conformidade, eléctrodos flexíveis que conformam para a forma de um polímero electroactivo a que estão ligados, são descritos. Os eléctrodos são capazes de manter comunicação eléctrica até em grandes deflexões encontradas com polímeros pré- deformados da presente invenção. A título de exemplo, deformações de pelo menos cerca de 50 por cento são comuns com eléctrodos da presente invenção. Flexibilidade proporcionada pelos eléctrodos pode variar com direcção.

Como os polímeros pré-deformados são adequados para uso em micro e macroescalas, numa ampla variedade de actuadores e numa ampla gama de aplicações, processo de fabrico usados com a presente invenção variam muito. Noutro aspecto, a presente invenção proporciona métodos para fabricar dispositivos electromecânicos que incluem um ou mais polímeros pré-deformados. Pré-deformação pode ser conseguida por um número de técnicas como estirar mecanicamente um polímero electroactivo e fixar o polímero a um ou mais membros sólidos enquanto é estirado.

2. ESTRUTURA GERAL DE DISPOSITIVOS

As FIGs. IA e 1B ilustram uma vista em perspectiva de cima de um transdutor 100. O transdutor 100 inclui um 7 polímero 102 para transformar entre energia eléctrica e energia mecânica. Eléctrodos de topo e base 104 e 106 estão ligados ao polímero electroactivo 102 nas suas superfícies de topo e base, respectivamente para proporcionar uma diferença de tensão através de uma porção do polímero 102. 0 polímero 102 deflecte com uma alteração em campo eléctrico proporcionado pelos eléctrodos de topo e base 104 e 106. Deflexão do transdutor 100 em resposta a uma alteração em campo eléctrico proporcionado pelos eléctrodos 104 e 106 é referida a uma actuação. Como o polímero 102 muda em tamanho, a deflexão pode ser usada para produzir trabalho mecânico. A FIG. 1B ilustra uma vista em perspectiva de cima do transdutor 100 que inclui deflexão em resposta a uma alteração em campo eléctrico. Em termos gerais, deflexão refere-se a qualquer deslocamento, expansão, contracção, torção, deformação linear ou de área, ou qualquer outra deformação de uma porção do polímero 102. A alteração em 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 entre os eléctrodos 104 e 106 e uma força de expansão no polímero 102 em direcções planares 108 e 110, fazendo com que o polímero 102 comprima entre os eléctrodos 104 e 106 e estire 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 de polímero 102 ou conseguir deflexões personalizadas em certas porções do polímero. Como o termo é usado no presente documento, uma região activa é definida como uma porção do material de polímero 102 que tem força electroestática suficiente para permitir deflexão da porção. Como será infradescrito, um polímero num transdutor da presente invenção pode ter múltiplas regiões activas. Material de polímero 102 fora de uma área activa pode actuar como uma força de mola externa na área activa durante deflexão. Mais especificamente, material fora da área activa pode resistir a deflexão de área activa pela sua contracção ou expansão. Remoção da diferença de tensão e da carga induzida causa os efeitos inversos.

Os eléctrodos 104 e 106 são flexíveis e mudam de forma com o 102. A configuração do polímero 102 e dos eléctrodos 104 e 106 proporcionam o aumento de resposta de polímero 102 com deflexão. Mais especificamente, como o transdutor 100 deflecte, compressão do polímero 102 aproxima as cargas opostas dos eléctrodos 104 e 106 e estiramento do polímero 102 separa cargas semelhantes em cada eléctrodo. Num exemplo, um dos eléctrodos 104 e 106 está à terra.

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

Polímeros electroactivos são capazes de deflexão em qualquer direcção. Depois de aplicação da tensão entre os eléctrodos 104 e 106, o polímero electroactivo 102 aumenta em tamanho em ambas as 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 como um resultado da expansão nas direcções 9 planares 108 e 110. Deve ser notado que a presente invenção não está limitada a polímeros incompressíveis e deflexão do polímero 102 pode não conformar para tal relação simples. O polímero electroactivo 102 é pré-deformado. A pré-deformação melhora conversão entre energia eléctrica e mecânica. Numa forma de realização, pré-deformação melhora a resistência dieléctrica do polímero. Para o transdutor 100, a pré-deformação permite que polímero electroactivo 102 deflicta mais e proporcione maior trabalho mecânico. Pré-deformação de um polímero pode ser descrita numa ou mais direcções como a alteração em dimensão naquela direcção depois de pré-deformação em relação à dimensão naquela direcção antes de pré-deformação. A pré-deformação pode compreender deformação elástica do polímero 102 e ser formada, por exemplo, estirando o polímero em tensão e fixar uma ou mais das margens enquanto é estirado. Numa forma de realização, a pré-deformação é elástica. Depois de actuação, um polímero pré-deformado elasticamente, em princípio, poderia ser liberto e regressar ao seu estado original. A pré-deformação pode ser imposta em limites usando um quadro rígido ou pode ser implementada localmente para uma porção do polímero.

Num exemplo, pré-deformação é aplicada uniformemente sobre uma porção do polímero 102 para produzir um polímero pré-deformado isotrópico. A título de exemplo, um polímero elastomérico acrílico pode ser estirado por 200-400 por cento em ambas as direcções planares. Noutra forma de realização, é aplicada pré-deformação desigualmente em diferentes direcções para uma 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 por teoria, crê-se que pré-deformar um polímero numa direcção pode aumentar a rigidez do polímero na direcção de pré-deformação. Em conformidade, o polímero é 10 relativamente mais rígido na direcção com maior pré-deformação e mais flexível na direcção com menor pré-deformação, e após actuação, a maioria de deflexão ocorre na direcção com menor pré-deformação. Numa forma de realização, o transdutor 100 realça deflexão na direcção 108 ao explorar maior pré-deformação na direcção perpendicular 110. A título de exemplo, um polímero elastomérico acrílico usado como o transdutor 100 pode ser estirado por 100 por cento na direcção 108 e por 500 por cento na direcção perpendicular 110. Construção do transdutor 100 e restrições de arestas geométricas também podem afectar deflexão direcional como será infradescrito em relação a 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 da presente invenção, pré-deformação numa ou mais direcções pode variar de -100 por cento a 600 por cento. A título de exemplo, para um elastómero acrílico VHB que tem pré-deformação isotrópica, podem ser usadas pré-deformações de pelo menos cerca de 100 por cento, e preferencialmente entre cerca de 200-400 por cento, em cada direcção. Numa forma de realização, o polímero é elasticamente pré-deformado por um factor no intervalo de cerca de 1,5 vezes a 50 vezes a área original. Para um acrílico anisotrópico pré-deformado realçar actuação numa direcção flexível, pré-deformações entre cerca de 400-500 por cento podem ser usadas na direcção rígida e pré-deformações entre cerca de 20-200 por cento podem ser usadas na direcção flexível. Em alguns casos, pré-deformação pode ser adicionada numa direcção de tal modo que uma pré-deformação negativa ocorre noutra direcção, por exemplo 600 por cento numa direcção ligada a -100 por cento numa direcção ortogonal. Nestes casos, a variação líquida na área devido à pré-deformação é tipicamente positiva. 11

Pré-deformação pode afectar outras propriedades do polímero 102. Grandes pré-deformações podem alterar as propriedades elásticas do polímero e trazê-lo num regime rígido com poucas perdas viscoelásticas. Para alguns polímeros, pré-deformação aumenta a resistência à ruptura eléctrica do polímero 102, que permite que maiores campos eléctricos sejam usados no polímero que permite maiores pressões de actuação e maiores deflexões.

Deformação linear e deformação de área podem ser usadas para descrever a deflexão de um polímero pré-deformado. Como o termo é usado no presente documento, deformação linear de um polímero pré-deformado refere-se à 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 cerca de 50 por cento são comuns para polímeros pré-def ormados da presente invenção. Claro que um polímero pode deflectir com uma deformação inferior ao máximo e a deformação pode ser ajustada ajustando a tensão aplicada. Para alguns polímeros pré-deformados, deformações lineares máximas de pelo menos cerca de 100 são comuns. Para polímeros como VHB 4910 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 refere-se à alteração em área planar, por exemplo, a alteração no plano definido por direcções 108 e 110 nas Figuras IA e 1B, por unidade de área do polímero após actuação em relação ao estado não actuado. Deformações de área máximas de pelo menos cerca de 100 por cento são possíveis para polímeros pré-deformados da presente invenção. Para alguns polímeros pré-deformados, deformações de área máximas no intervalo de 70 a 330 por cento são comuns.

Geralmente, depois de o polímero ser pré-deformado, pode ser fixo a um ou mais objectos. Cada objecto pode ser 12 adequadamente rígido para manter o nível de pré-deformação desejado no polímero. 0 polímero pode ser fixo a um ou mais objectos de acordo com qualquer método convencional conhecido na tecnologia como adesivo químico, um material ou camada adesiva, ligação mecânica, etc.

Transdutores e polímeros pré-deformados da presente invenção não estão limitados a qualquer geometria particular ou deflexão linear. Por exemplo, o polímero e eléctrodos podem ser formados em qualquer geometria ou forma 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 a presente invenção inclui compressão e expansão linear numa ou mais direcções, curvatura, deflexão axial quando o polímero é enrolado, deflexão fora de um orifício proporcionado num substrato, etc. Deflexão de um transdutor pode ser afectada pelo modo como o polímero é restringido por um quadro ou estruturas rígidas ligadas ao polímero. Numa forma de realização, um material flexível que é mais rígido em alongamento do que o polímero está ligado a um lado de um transdutor induz curvatura quando o polímero é actuado. Noutra forma de realização, um transdutor que deflecte radialmente fora do plano é referido como um diafragma. Um actuador de diafragma será descrito com mais pormenor em relação às FIGs. 1E e 1F.

Polímeros electroactivos em conformidade com uma forma de realização da presente invenção incluem uma superfície texturada. A FIG. 1C ilustra uma superfície texturada 150 para um polímero electroactivo 152 que tem um perfil de tipo onda. A superfície texturada 150 permite que o polímero 152 deflicta usando curvatura de ondas de superfície 154. Curvatura das ondas de superfície 154 13 proporciona flexibilidade direcional 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 micrómetro a 40 micrómetros de largura e cerca de 0,1 micrómetros a 20 micrómetros de profundidade. Neste caso, a largura e profundidade de onda são substancialmente inferiores à espessura do polímero. Num exemplo específico, as depressões e cristãs são aproximadamente 10 micrómetros de largura e seis micrómetros de profundidade numa camada de polímero com uma espessura de 200 micrómetros.

Numa forma de realização, uma camada fina de material rígido 156, como um eléctrodo, está ligada ao polímero 152 para proporcionar o perfil de tipo onda. Durante fabrico, o polímero electroactivo é estirado mais do que pode ser estirado quando actuado, e a camada fina de material rígido 156 está ligada à superfície de polímero 152 estirado. Subsequentemente, o polímero 152 é relaxado e a estrutura deforma para proporcionar 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 usando deformação na superfície de polímero. A título de exemplo, a FIG.1D ilustra um polímero electroactivo 160 que inclui uma superfície rugosa 161 que tem textura aleatória. A superfície rugosa 160 permite que deflexão planar não seja direccionalmente flexível. Vantajosamente, deformação em topografia de superfície pode permitir deflexão de um eléctrodo rígido com menor resistência do que compressão ou estiramento em espessura. Deve ser notado que deflexão de um polímero pré-deformado que tem uma superfície texturada pode compreender uma combinação de deformação de superfície e estiramento em espessura do polímero.

Superfícies texturadas ou não uniformes para o 14 polímero também podem permitir o uso de uma camada de barreira e/ou eléctrodos que se baseiam em deformação das superfícies texturadas. Os eléctrodos podem incluir metais que curvam de acordo com a geometria da superfície de polímero. A camada de barreira pode ser usada para bloquear carga em caso de ruptura eléctrica no material de polímero pré-deformado.

Materiais adequados para uso como um polímero pré-deformado com a presente invenção podem incluir qualquer polímero substancialmente isolante ou borracha que deforma em resposta a uma força electroestática ou cuja deformação resulta numa alteração em campo eléctrico. Um material adequado é NuSil CF19-2186 como proporcionado pela NuSil Technology of Carpenteria, CA. Outros materiais exemplares adequados para uso como um polímero pré-deformado incluem, qualquer polímero elastomérico dieléctrico, borrachas de silicone, fluoroelastómeros, silicones como Dow Corning HS3 como proporcionado pela Dow Corning de Wilmington, Delaware, fluoro-silicones como Dow Corning 730 como fornecido pela Dow Corning de Wilmington, Delaware, etc, e polímeros acrílicos como qualquer acrílico nas séries de acrílicos 4900 VHB como proporcionado pela 3M Corp. de St. Paul, MN.

Em muitos casos, materiais usados em dispositivos e métodos em conformidade com a presente invenção são polímeros comercialmente disponíveis. Os polímeros comercialmente disponíveis podem incluir, por exemplo, qualquer elastómero de silicone comercialmente disponível, poliuretano, copolímero PVDF e elastómero adesivo. Uso de materiais comercialmente disponíveis proporcionam alternativas de eficiência de custo para transdutores e dispositivos associados da presente invenção. O uso de materiais comercialmente disponíveis pode simplificar fabrico. Num exemplo, o polímero comercialmente disponível é um elastómero acrílico comercialmente disponível que 15 compreende misturas de acrilato alifático que são fotocuradas durante fabrico. A elasticidade do elastómero acrílico resulta de uma combinação dos grupos alifáticos derivados e cruzados entre as cadeias de polímeros acrílicos.

Materiais usados como um polímero pré-deformado podem ser selecionados com base numa ou mais propriedades de material como uma elevada resistência à ruptura eléctrica, um baixo módulo de elasticidade - para grandes ou pequenas deformações, uma constante dieléctrica elevada, etc. Numa forma de realização, o polímero é selecionado de tal modo que tem módulo de elasticidade no máximo cerca de 100 MPa. Em outra forma de realização, o polímero é seleccionado de tal modo que tem uma pressão de actuação máxima entre cerca de 0.05 MPa e cerca de 10 MPa, e preferencialmente entre cerca de 0.3 MPa e cerca de 3 MPa. Em ainda outra forma de realização, o polímero é seleccionado de tal modo que é uma constante dieléctrica entre cerca de 2 e cerca de 20, e preferencialmente entre cerca de 2,5 e cerca de 12. Para algumas aplicações, um polímero electroactivo é selecionado com base numa ou mais necessidades de aplicação como amplo intervalo de temperatura e/ou humidade, repetibilidade, precisão, baixa fluência, fiabilidade e resistência.

Tensões de actuação adequadas para polímeros pré-deformados da presente invenção podem variar com base no material de polímero electroactivo e nas suas propriedades (por exemplo, a constante dieléctrica) bem como as dimensões do polímero (por exemplo, a espessura entre eléctrodos). A título de exemplo, campos eléctricos de actuação para o polímero 102 na Figura IA podem variar em amplitude de cerca de 0 V/m a 440 Mega Volts/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. Alternativamente, 16 múltiplas camadas de polímero podem ser implementadas. Tensões de actuação para um polímero particular podem ser reduzidas aumentado a dieléctrica constante, diminuindo espessura de polímero e diminuindo módulos de elasticidade, por exemplo.

Polímeros pré-deformados da presente invenção podem cobrir um amplo intervalo de espessuras. Numa forma de realização, espessura de polímero pode variar entre cerca de 1 micrómetro e 2 milímetros. Espessuras típicas antes de pré-deformação incluem 50-225 micrómetros para HS3, 25-75 micrómetros para NuSil CF 19-2186, e 100-1000 micrómetros para qualquer dos polímeros acrílicos de séries 3M VHB 4900. Espessura de polímero pode ser reduzida por estiramento de película numa ou ambas as direcções planares. Em muitos casos, polímeros pré-deformados da presente invenção podem ser fabricados e implementados como películas finas. Espessuras adequadas para estas películas finas podem ser inferiores a 50 micrómetros.

3. ACTUADORES A deflexão de um polímero pré-deformado pode ser usada numa variedade de modos para produzir energia mecânica. Em termos gerais, polímeros electroactivos podem ser implementados com uma variedade de actuadores - incluindo actuadores convencionais reabilitados com um polímero pré-deformado e actuadores personalizados especialmente concebidos para um ou mais polímeros pré-deformados. Actuadores convencionais incluem extensores, hastes de flexão, pilhas, diafragmas, etc. Vários actuadores personalizados exemplares diferentes em conformidade com a presente invenção serão agora discutidos. A FIG. 1E ilustra um secção lateral 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 17 perpendicular à área do orifício circular 133. 0 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 desligada da FIG. ΙΕ, o polímero 131 é estirado e fixo ao quadro 132 com tensão para conseguir pré-deformação. Após aplicação de uma tensão adequada dos eléctrodos 134 e 136, a película de polímero 131 expande para fora do plano do quadro 132 como ilustrado na FIG.1F. Os eléctrodos 134 e 136 são flexíveis e mudam de forma com o polímero pré-deformado 131 enquanto deflecte. O actuador de diafragma 130 é capaz de expansão em ambas as direcções fora do plano. Num exemplo, o lado de base 141 do polímero 131 inclui uma pressão de desvio que influencia a expansão da película de polímero 131 para continuamente actuar para cima na direcção de setas 143 (FIG. 1F). Noutro exemplo, um agente de dilatação como uma pequena quantidade de óleo de silicone é aplicado no lado de base 141 para influenciar a expansão do polímero 131 na direcção de setas 143. O agente de dilatação causa ligeira deflexão permanente numa direcção como determinado durante 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 que o diafragma continuamente actue numa direcção desejada sem usar uma pressão de desvio. A quantidade de expansão para o actuador de diafragma 130 vai variar com base num número de factores que incluem o material de polímero 131, a tensão aplicada, a quantidade de pré-deformação, qualquer pressão de desvio, flexibilidade dos eléctrodos 134 e 136, etc. Num exemplo, o polímero 131 é capaz de deflexões a uma altura 137 de pelo menos cerca de 50 por cento do diâmetro de orifício 139 e pode adquirir uma forma hemisférica em grandes deflexões. Neste caso, um ângulo 147 formado entre o polímero 131 e o 18 quadro 132 pode ser inferior a 90 graus.

Como mencionado anteriormente, expansão numa direcção de um polímero electroactivo pode induzir tensões de contracção numa segunda direcção como devido a efeitos de Poisson. Isto pode reduzir a resposta mecânica para um transdutor que proporcione resposta mecânica na segunda direcção. Em conformidade, actuadores podem ser concebidos para restringirem um polímero na direcção de não reposta. Em alguns casos, actuadores podem ser concebidos para melhorar resposta mecânica que usa deflexão na direcção de não resposta.

Um actuador que use deflexão numa direcção planar para melhorar resposta mecânica noutra direcção é actuador de flexão. As FIGs. 2A e 2B ilustram um actuador de flexão 200 antes e depois de actuação. O actuador de flexão 20 0 é um mecanismo planar que compreende um quadro flexível 202 que proporciona assistência mecânica para melhorar resposta mecânica para um polímero 206 ligado ao quadro 202. O quadro 202 inclui seis membros rígidos 204 ligados em juntas 205. Os membros 204 e juntas 205 proporcionam auxílio mecânico ao ligarem deflexão de polímero numa direcção planar 208 a uma resposta mecânica num direcção planar perpendicular 210. Mais especificamente, o quadro 202 está disposto de tal modo que uma pequena deflexão do polímero 206 na direcção 208 melhora deslocamento na direcção planar perpendicular 210. Ligados às superfícies opostas (topo e base) do polímero 206 estão eléctrodos 207 (eléctrodo de base em lado de base do polímero 206 não mostrado) para proporcionar 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. Mais especificamente, o polímero electroactivo 206 inclui uma pré-deformação elevada na direcção planar 208, e pouca ou nenhuma pré-deformação na direcção planar perpendicular 19 210. Esta pré-deformação anisotrópica está disposta em relação à geometria do quadro 202. Mais especificamente, após actuação através de eléctrodos 207 e 209, o polimero contrai na direcção de elevada pré-deformação 208. Com o movimento restrito do quadro 202 e do braço de alavanca proporcionado pelos membros 204, esta contracção ajuda a accionar deflexão na direcção planar perpendicular 210. Assim, mesmo para uma pequena deflexão do polimero 206 na direcção de elevada pré-deformação 208, o quadro 202 flecte para fora na direcção 210. Assim, uma pequena contracção na direcção de elevada pré-deformação 210 torna-se uma expansão maior na direcção de pré-deformação relativamente baixa 208.

Usar a pré-deformação anisotrópica e restrição proporcionadas pelo quadro 202, o actuador de flexão 200 permite contracção numa direcção para realçar deflexão mecânica e eléctrica para conversão eléctrica para mecânica noutra. Por outras palavras, uma carga 211 (FIG. 2B) ligada ao actuador de flexão 200 está ligada a deflexão do polimero 206 em duas direcções - direcção 208 e 210. Assim, como um resultado da pré-deformação diferencial do polimero 206 e da geometria do quadro 202, o actuador de flexão 200 é capaz de proporcionar um maior deslocamento mecânico do que um polimero electroactivo isolado para alimentação eléctrica comum. O actuador de flexão 200 pode estar configurado com base no polimero 206. A titulo de exemplo, a geometria do quadro 202 e as dimensões do polimero 206 podem ser adaptadas com base no material de polimero 206. Numa forma de realização especifica que usa silicone HS3 como o polímero 206, o polímero 206 preferencialmente tem uma relação em direcções 208 e 210 de 9:2 com pré-deformações cerca de 270 por cento e -25 por cento nas direcções 208 e 210, respectivamente. Usar esta disposição, deformações lineares de pelo menos cerca de 100 por cento em direcção 20 210 são possíveis. A pré-deformação no polímero 206 e restrição proporcionadas pelo quadro 202 também podem permitir que o actuador de flexão 200 use 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 em direcção de baixa pré-deformação 210, a restrição mecânica proporcionada pelo quadro 202 permite que o actuador de flexão 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, permitindo maiores tensões e deflexões para o actuador de flexão 200.

Como mencionado anteriormente em relação à FIG. IA, quando um polímero se expande como um resultado de forças electroestáticas, continua a expandir-se até que forças mecânicas equilibrem a pressão electroestática que acciona a expansão. Quando a carga 211 está ligada ao actuador de flexão 200, efeitos mecânicos proporcionados pela carga 211 vão influenciar o equilíbrio de força e deflexão do polímero 206. Por exemplo, se a carga 211 resiste a expansão do actuador de flexão 200, então o polímero 206 pode não expandir tanto como se não houvesse carga.

Num exemplo, o actuador de flexão 200 pode incluir componentes adicionais para proporcionar assistência mecânica e realçar reposta mecânica. A título de exemplo, molas 220 como mostrado na FIG. 2C podem estar ligadas ao actuador de flexão 200 para realçar deflexão na direcção 210. As molas carregam o actuador de flexão 200 de tal modo que a força de mola exercida pelas molas opõem resistência proporcionada por uma carga externa. Em alguns casos, as molas 220 proporcionam aumento de auxílio para deflexão de actuador de flexão 200. Num exemplo, elementos de mola podem ser construídos nas juntas 205 em vez das molas externas 220 para realçar deflexão do actuador de flexão 21 200. Além disso, pré-deformação pode ser aumentada para realçar deflexão. A carga também pode estar ligada aos membros rigidos 204 em topo e base do quadro 202 em vez de nos membros rigidos do lado do quadro 202 (como mostrado na Figura 2B) . Uma vez que os membros rigidos 204 do topo e base contraem na direcção do outro quando tensão é aplicada como mostrado na Figura 2B, o actuador de flexão 200 proporciona um dispositivo exemplar que contrai no plano após aplicação de uma tensão em vez de expandir.

Apesar de o actuador de flexão 200 das FIGs. 2A-2C ilustrar um exemplo especifico de um actuador personalizado que inclui um quadro flexível e um polímero electroactivo, qualquer geometria de quadro ou assistência mecânica para melhorar deslocamento de um polímero electroactivo é adequada para uso com a presente invenção. A forma e restrição do polímero podem afectar deflexão. Uma relação de aspecto para um polímero electroactivo é definida como a relação do seu comprimento com largura. Se a relação de aspecto for elevada (por exemplo, uma relação de aspecto de pelo menos cerca de 4:1) e o polímero estiver restringido ao longo do seu comprimento por membros rígidos, então a combinação pode resultar numa substancialmente uma deflexão dimensional na direcção de largura.

As FIG. 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 proporciona resposta mecânica numa direcção. O actuador de movimento linear 230 compreende um polímero 231 que tem um comprimento 233 substancialmente maior do que a sua largura 234 (por exemplo, uma relação de aspecto de pelo menos cerca de 4:1). O polímero 231 está ligado em lados opostos a membros rígidos 232 de um quadro ao longo do seu comprimento 233. Os membros rígidos 232 têm uma rigidez maior do que o polímero 231. A restrição de aresta 22 geométrica proporcionada pelos membros rígidos 232 substancialmente evita deslocamento numa direcção 236 ao longo do comprimento do polímero 233 e facilita deflexão guase exclusivamente numa direcção 235. Quando o actuador de movimento linear 230 é implementado com o polímero 231 gue tem pré-deformação anisotrópica, como uma pré-deformação maior na direcção 236 do gue na direcção 235, então o polímero 231 é mais rígido na direcção 236 do gue na direcção 235 e grandes deflexões na direcção 235 podem resultar. A título de exemplo, uma tal disposição pode produzir deformações lineares de pelo menos cerca de 200 por cento para acrílicos que têm uma pré-deformação anisotrópica.

Uma colecção de polímeros electroactivos ou actuadores pode estar mecanicamente ligada para formar um actuador maior com uma resposta comum, por exemplo, força e/ou deslocamento. Ao usar um pequeno polímero electroactivo como uma unidade de base numa colecção, conversão de energia eléctrica em energia mecânica pode ser escalada de acordo com uma aplicação. A título de exemplo, múltiplos actuadores de movimento linear 230 podem ser combinados em séries na direcção 235 para formarem um actuador que tem uma deflexão cumulativa de todos os actuadores de movimento linear nas séries. Quando transduzir energia eléctrica em energia mecânica, polímeros electroactivos ligados quer individualmente quer mecanicamente numa colecção podem ser referidos como "músculo artificial". Para propósitos do presente documento, músculo artificial é definido como um ou mais transdutores e/ou actuadores que têm uma única força e/ou deslocamento de resposta. Músculo artificial pode ser implementado a um micro ou macro nível e pode compreender qualquer um ou mais dos actuadores descritos no presente documento. A FIG. 2F ilustra vista lateral transversal de um actuador multicamada 240 como um exemplo de músculo 23 artificial. 0 actuador multicamada 240 inclui quartos polímeros pré-deformados 241 dispostos em paralelo e cada ligado a um quadro rígido 242 de tal modo que têm a mesma deflexão. Eléctrodos 243 e 244 são colocados em superfícies opostas de cada polímero 241 e proporcionam actuação electroestática simultânea para os quatro polímeros pré-deformados 241. O actuador multicamada 240 proporciona resposta de força cumulativa das camadas de polímero individuais 241.

Noutro exemplo, múltiplas camadas de polímero electroactivo podem ser usadas em vez de um polímero para aumentar a resposta de pressão ou força de um actuador. Por exemplo, dez polímeros electroactivos podem ser colocados em camadas para aumentarem a resposta de pressão do actuador de diafragma das FIG.1E. A FIG.2G ilustra actuador de diafragma multicamada em pilha 245 como outro exemplo de músculo artificial. O actuador multicamada em pilha 245 inclui três camadas de polímero 246 colocadas em camadas umas sobre as outras e podem estar ligadas por camadas adesivas 247. Dentro das camadas adesivas 247 estão eléctrodos 248 e 249 que proporcionam actuação a 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 de diafragma multicamada em pilha 245. Ao combinar as camadas de polímero 246, o actuador multicamada em pilha 245 proporciona resposta de força cumulativa das camadas de polímero individuais 246.

Além do actuador de movimento linear 230 das FIGs. 2D e 2E, polímeros electroactivos podem ser incluídos numa variedade de actuadores que proporcionam 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 electroestática, o veio de saida 257 transforma como indicado pela seta 259. 0 actuador linear 255 também pode incluir um elemento de mola flexível 260 que ajuda a posicionar o veio de saída 257.

Noutro exemplo, polímeros pré-deformados podem ser enrolados ou dobrados em actuadores e transdutores lineares que deflectem axialmente após actuação. Como fabrico de polímeros electoroactivos é muitas vezes mais simples com poucos números de camadas, actuadores enrolados proporcionam uma maneira 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 proporcionar numerosas camadas de polímero adjacente entre si. Actuadores enrolados ou dobrados são aplicáveis sempre que forem usados actuadores lineares, como pernas e dedos robóticos, garras de grande força, e actuadores lineares de propósito geral. A FIG. 21 ilustra um actuador de tipo inchworm 262. O actuador de tipo inchworm 262 inclui duas ou mais camadas de polímero pré-deformado enrolado com eléctrodos 263 que deflectem axialmente ao longo do seu eixo cilíndrico. O actuador de tipo inchworm 262 também inclui grampos electroestát icos 264 e 265 para ligar e desligar a uma superfície de metal 268. Os grampos electroestáticos 264 e 265 permitem que o curso total para o actuador de tipo inchworm 262 seja aumentado comparado com um actuador sem aperto. 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 da presente invenção são preservadas com o actuador de tipo inchworm 262. Os grampos electrostáticos 264 e 265 estão ligados ao actuador de tipo inchworm em regiões de ligação 267. Um corpo 266 do actuador de tipo inchworm inclui as 25 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. Num exemplo, os grampos electroestáticos 264 e 265 incluem um adesivo isolante 269 que evita curto-circuito eléctrico dos grampos electroestáticos condutores 264 e 265 à superfície de metal 268 . 0 actuador de tipo inchworm 262 desloca-se para cima num processo de seis etapas. Em etapa um, o actuador de tipo inchworm 262 é imobilizado nas suas respectivas extremidades quando ambos os grampos electroestáticos 264 e 265 são actuados e o polímero 263 é relaxado. Um grampo electroestático é actuado por aplicação de diferença de tensão entre o grampo e a superfície de metal 268. Em etapa dois, grampo 265 é liberto. Libertação de um dos grampos 264 e 265 permite que a sua respectiva extremidade do actuador de tipo inchworm 262 se desloque livremente. Em etapa três, o polímero electroactivo 263 é actuado e estende o actuador de tipo inchworm 262 para cima. Em etapa quatro, grampo 265 é actuado e o actuador de tipo inchworm 262 é imobilizado. Em etapa cinco, grampo 264 é liberto. Em etapa seis, o polímero 263 é relaxado e o actuador de tipo inchworm 262 contrai. Ao repetir ciclicamente etapas um a seis, o actuador de tipo inchworm 262 desloca-se na direcção de cima. Ao comutar grampos 264 e 265 no processo de seis etapas acima, o actuador de tipo inchworm 262 desloca-se numa direcção contrária.

Apesar de o actuador de tipo inchworm 262 ter sido descrito em termos de actuação usando um único polímero electroactivo e dois grampos, podem ser implementados actuadores de tipo inchworm de múltiplos segmentos. Actuadores de tipo inchworm de múltiplos segmentos permitem que um actuador de tipo inchworm aumente em comprimento sem ficar mais espesso. Um actuador de tipo inchworm de dois segmentos usaria dois polímeros enrolados em vez de um a 26 três grampos em vez de dois. Em geral, um actuador de tipo inchworm de n segmentos compreende n actuadores entre n+1 grampos. A FIG. 2J ilustra um actuador de película estirada 270 para proporcionar deflexão linear. O actuador de película estirada 270 inclui um quadro rígido 271 que tem um orifício 272. Um polímero pré-deformado 273 está ligado em tensão ao quadro 271 e transpõe o orifício 272. Uma barra rígida 274 está ligada ao centro do polímero 273 e proporciona deslocamento externo correspondente a deflexão do polímero 273. Pares de eléctrodo flexível 275 e 276 são modelados em superfícies de topo e base do polímero 273 nos lados esquerdo e direito respectivamente da barra rígida 274. Quando o par de eléctrodo 275 é actuado, uma porção do polímero 273 entre e na vizinhança do par de eléctrodo de topo e base 275 expande-se em relação ao resto do polímero 273 e a tensão existente no resto do polímero 273 puxa a barra rígida 274 para deslocar para a direita. Inversamente, quando o par de eléctrodo 276 é actuado, uma segunda porção do polímero 273 afectada pelo par de eléctrodo 276 expande-se em relação ao resto do polímero 273 e permite que a barra rígida 274 se desloque para a esquerda. Alternar actuação dos eléctrodos 275 e 276 proporciona um curso 279 total efectivamente maior para a barra rígida 274. Uma variação deste actuador inclui adição de pré-deformação anisotrópica ao polímero de tal modo que o polímero tem elevada pré-deformação (e rigidez) na direcção perpendicular ao deslocamento de barra rígida. Outra variação é eliminar um dos pares de eléctrodo. Para o benefício de simplificação de concepção, esta variação reduz o curso 279 para o actuador de película estirada 270. Neste caso, a porção do polímero que deixa de ser usada pelo eléctrodo removido agora responde passivamente como uma mola de restituição. A FIG. 2K ilustra um actuador de haste de flexão 280. 27 0 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 como poliamida ou mylar que usa uma camada adesiva, por exemplo. O material fino flexível 283 tem um módulo de elasticidade maior do que o polímero 281. A diferença em módulo de elasticidade para os lados de topo e base 286 e 287 do actuador de haste de flexão 280 faz com que o actuador de haste de flexão 280 flicta após actuação. Eléctrodos 284 e 285 estão ligados aos lados opostos do polímero 281 para proporcionar energia eléctrica. O actuador de haste de flexão 280 inclui uma extremidade livre 288 com um único grau de liberdade de flexão. Deflexão da extremidade livre 288 pode ser medida pela diferença em 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 vai variar com um número de factores que incluem o material de polímero, o comprimento do actuador, a rigidez de 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 em ouro e uma área activa de 3,5mm em comprimento, ângulos de flexão acima de 225 graus são atingíveis. Para o actuador de haste de flexão 280, como o comprimento da área activa aumenta, maiores ângulos de flexão são atingíveis. Em conformidade, estender o comprimento activo do actuador de haste de flexão supraref erido para 5mm permite que um ângulo de flexão se aproxime dos 360 graus.

Num exemplo, um dos eléctrodos pode actuar como o material fino flexível 283. Qualquer metal fino, como o 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. Noutro exemplo, uma camada de 28 barreira está ligada entre um dos eléctrodos 284 e 285 e o polímero 281 para minimizar o efeito de qualquer ruptura localizada no polímero. 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 de tal modo que a 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 dos polímeros 291 e 292 pode ser independentemente actuado. Actuação independente é conseguida ao separar o controlo eléctrico dos eléctrodos de topo e de base 293 e 294 ligados aos polímeros electroact ivos 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 em camadas de polímero 291 e 292 enquanto permite extensão e flexão.

Actuação do polímero electroactivo de topo 291 que usa o par de topo de eléctrodos 293 e 295 faz com que o actuador de haste de flexão 290 flicta para baixo. Actuação do polímero de base 292 que usa o par de base de eléctrodos 294 e 295 faz com o actuador de haste de flexão 290 flicta para cima. Assim, uso 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 ambos os polímeros de topo e de base 291 e 292 são actuados simultaneamente - e são de dimensão e material substancialmente semelhantes - o actuador de haste de flexão 290 estende-se em comprimento 29 ao longo da direcção linear 298. Ao combinar a capacidade de controlar movimento na direcção radial 297 e na direcção linear 298, o actuador de haste de flexão 290 torna-se um actuador de dois graus de liberdade. Em conformidade, 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 execute movimentos complexos como percursos circulares ou elípticos.

4. DESEMPENHO

Um transdutor em conformidade com a presente invenção converte entre energia eléctrica e energia mecânica. Desempenho do transdutor pode ser caracterizado em termos do transdutor por si próprio, do desempenho do transdutor num actuador, ou do desempenho do transdutor numa aplicação específica (por exemplo, um número de transdutores implementados num motor). Pré-deformação de polímeros electroactivos em conformidade com a presente invenção proporciona melhoramentos substanciais em desempenho do transdutor.

Caracterização do desempenho de um transdutor por si próprio refere-se habitualmente às propriedades materiais do polímero e eléctrodos. Desempenho de um polímero electroactivo pode ser descrito independente de tamanho de polímero por parâmetros como deformação, densidade de energia, pressão de actuação, densidade e eficiência da pressão de actuação. Deve ser notado que a caracterização de desempenho de polímeros pré-deformados e dos seus respectivos transdutores infradescrita pode variar para diferentes eléctrodos e polímeros electroactivos.

Polímeros pré-deformados num transdutor da presente invenção podem ter um módulo efectivo no intervalo de cerca de 0,1 a cerca de 100 MPa. Pressão de actuação é definida como a variação em força num polímero pré-deformado por unidade de área transversal entre estados actuado e não actuado. Em alguns casos, polímeros pré-deformados num 30 transdutor da presente invenção podem ter uma pressão de actuação no intervalo de cerca de 0 a cerca de 100 Mpa e, mais preferencialmente, no intervalo de 0,1 a 10 MPa. Densidade de energia elástica especifica - definida como a energia de deformação de uma unidade de massa do material na transição entre os estados actuado e não actuado - pode também ser usada para descrever um polímero electroactivo onde peso é importante. Polímeros pré-deformados gue podem ser usados num transdutor da presente invenção podem ter uma densidade de energia elástica específica acima de 3 J/g. 0 desempenho de um polímero pré-deformado pode também ser descrito, independente de dimensão do polímero, por eficiência. Eficiência electromecânica é definida como a relação de energia de resposta mecânica à energia de alimentação eléctrica. Eficiência electromecânica maior do que 80 por cento é conseguida com alguns polímeros pré-def ormados. 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 pré-deformados podem acomodar um amplo intervalo de tempos de resposta. Dependendo do tamanho e configuração do polímero, tempos de resposta podem variar de cerca de 0,01 milissegundos a 1 segundo, por exemplo. Um polímero pré-deformado excitado a uma taxa elevada pode também ser caracterizado por uma frequência operacional. Num exemplo, frequências operacionais máximas adequadas para uso com a presente invenção podem estar no intervalo de cerca de 100 Hz a 100 kHz. Frequências operacionais neste intervalo permitem que polímeros pré-deformados da presente invenção sejam usados em várias aplicações acústicas (por exemplo, altifalantes). Em alguns exemplos, polímeros pré-deformados podem ser operados numa frequência de ressonância para melhorar resposta mecânica.

Desempenho de um actuador pode ser descrito por um 31 parâmetro de desempenho específico para o actuador. A título de exemplo, desempenho de um actuador de um certo tamanho e peso pode ser quantificado por parâmetro como curso ou deslocamento, força, tempo de resposta de actuador. Caracterização de desempenho de um transdutor numa aplicação refere-se a como o transdutor é bem realizado numa aplicação particular (por exemplo, em robótica). 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 robóticas). Parâmetros específicos de aplicação incluem curso ou deslocamento, força, tempo de resposta de actuador, resposta em frequência, eficiência, etc. Estes parâmetros podem depender do tamanho, massa e/ou da concepção do transdutor e da aplicação particular.

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

5. ELÉCTRODOS

Transdutores da presente invenção incluem pelos menos dois eléctrodos para actuar um polímero electroactivo. Em termos gerais, eléctrodos adequados para uso com a presente invenção podem ser de qualquer forma e material desde que possam fornecer ou receber uma tensão adequada, quer constante quer variando ao longo do tempo, para ou de um polímero electroactivo. Numa forma de realização, os eléctrodos aderem a uma superfície do polímero. Eléctrodos que aderem ao polímero são preferencialmente flexíveis e 32 conformam para a mudança 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 são capazes de deflexão numa ou mais direcções. Deformação linear pode ser usada para descrever a deflexão de um eléctrodo flexível numa destas direcções. Tal como o termo é usado no presente documento, deformação linear de um eléctrodo flexível refere-se à deflexão por unidade de comprimento ao longo de uma linha de deflexão. São possíveis deformações lineares máximas (tênsil ou de compressão) de, pelo menos, cerca de 50 por cento para eléctrodos flexíveis da presente invenção. Para alguns eléctrodos flexíveis, deformações lineares máximas de, pelo menos, cerca de 100 por cento são comuns. Claro que um eléctrodo pode deflectir com uma deformação inferior ao máximo. Num exemplo, o eléctrodo flexível é um 'eléctrodo estruturado' que compreende uma ou mais regiões de elevada condutividade e uma ou mais regiões de baixa condutividade. A FIG. 3 ilustra uma vista de superfície de cima de um eléctrodo estruturado 501 que proporciona flexibilidade unidireccional. 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 camada de distribuição de carga 503 são aplicados a superfícies opostas do polímero. Assim, a secção transversal, de topo à 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. Vestígios de metal 502 em ambas as superfícies do polímero actuam como eléctrodos para o material de polímero 33 electroactivo entre eles. Noutro exemplo, o eléctrodo de base pode ser um eléctrodo uniforme, flexível. A camada de distribuição de carga 503 facilita distribuição de carga entre vestígios de metal 502. Em conjunto, os vestígios de metal de elevada condutividade 502rapidamente conduzem carga através da área activa para a camada de distribuição de carga de baixa condutividade 503 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. Como um resultado, o eléctrodo estruturado 501 permite deflexão numa direcção flexível 506 perpendicular aos vestígios de metal paralelos 502.

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 de polímero. Num exemplo, os vestígios de metal 502 são espaçados em intervalos na ordem de 400 micrómetros e têm uma espessura de cerca de 20 a 100 nanómetros. A largura dos vestígios é tipicamente muito inferior ao espaçamento. Para aumentar a velocidade global de resposta para o eléctrodo estruturado 501, a distância entre os vestígios de metal 502 pode ser reduzida. Os vestígios de metal 502 podem compreender ouro, prata, alumínio e muitos outros metais e materiais condutores relativamente rígidos. Num exemplo, vestígios de metal nas superfícies opostas de um polímero electroactivo são separados entre si para melhorar 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 ao dano dos vestígios de metal 502. Para evitar danos desta maneira, o polímero pode ser restrito por uma estrutura rígida que evita deflexão do polímero e dos vestígios de metal 502 ao 34 longo dos seus eixos. Os membros rígidos 232 do actuador de movimento linear das FIGS. 2D e 2E são adeguados a este respeito. Noutro exemplo, os vestígios de metal 502 podem ser ligeiramente ondulados na 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 gue o polímero electroactivo mas inferior aos vestígios de metal. As necessidades de condutividade não rígidas da camada de distribuição de carga 503 permitem gue seja usada uma ampla variedade de materiais. A título de exemplo, a camada de distribuição de carga pode compreender negro de fumo, fluorelastómero com prata coloidal, uma emulsão de borracha látex baseada em água com uma pequena percentagem em carga de massa de iodeto de sódio e poliuretano com complexo de transferência de carga tetratiafulvaleno/tetracia-noquinodimetano (TTF/TCNQ). Estes materiais são capazes de formar camadas uniformes finas com até cobertura e têm uma condutividade de superfície suficiente para conduzir a carga entre vestígios de metal 502 antes de perdas de carga substanciais na vizinhança. Num exemplo, o material para a camada de distribuição de carga 503 é seleccionado com base na constante de tempo RC do polímero. A título de exemplo, resistividade de superfície para a camada de distribuição de carga 503 adequada para a presente invenção pode estar no intervalo de 106 a 1011 ohm. Deve ser notado que, em alguns exemplos, uma camada de distribuição de carga não é usada e os vestígios de metal 502 são modelados directamente no polímero. Neste caso, ar ou outras espécies químicas sobre a superfície do polímero pode ser suficientes para transportar carga entre os vestígios. Este efeito pode ser realçado pelo aumento da condutividade de superfície através de tratamentos de superfície como cauterização com plasma ou implantação de iões. 35

Noutro exemplo, múltiplos eléctrodos de metal estão situados no mesmo lado de um polímero e estendem a largura do polímero. Os eléctrodos proporcionam flexibilidade na direcção perpendicular à largura. Dois eléctrodos de metal adjacentes actuam como eléctrodos para o material de polímero entre eles. Os múltiplos eléctrodos de metal alternam desta maneira e eléctrodos alternos podem estar em comunicação eléctrica para proporcionarem activação síncrona do polímero. A FIG. 4 ilustra um polímero pré-deformado 510 subjacente a um eléctrodo estruturado que não é direccionalmente flexível. O eléctrodo estruturado inclui vestígios de metal 512 modelados directamente numa superfície do polímero electroactivo 510 em linhas paralelas espaçadas regularmente que formam um modelo em yziguezague'. Dois vestígios de metal 512 em superfícies opostas do polímero actuam como eléctrodos para o material de polímero electroactivo 510 entre eles. O modelo em yziguezague’ dos vestígios de metal 512 permite expansão e contracção do polímero e do eléctrodo estruturado em múltiplas direcções 514 e 516.

Uso de uma sequência de vestígios de metal como descrito em relação às FIGs. 3 e 4 permite o uso de camadas de distribuição de carga que tem uma condutância inferior. Mais especificamente, como o espaçamento entre vestígios de metal diminui, a condutância requerida do material entre os vestígios pode diminuir. Desta maneira, é possível usar materiais que não são normalmente considerados condutores para serem usados como camadas de distribuição de carga. A título de exemplo, polímeros que têm uma resistividade de superfície de IO10 ohm podem ser usados desta maneira como uma camada de distribuição de carga. Num exemplo específico, foi usada borracha como uma camada de distribuição de carga como parte de um eléctrodo estruturado numa camada de polímero com uma espessura de 25 36 micrómetros e espaçamento entre vestígios de metal paralelos de cerca de 500 micrómetros. Para além de redução da condutância requerida para uma camada de distribuição de carga, vestígios de metal estreitamente 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 estreitamente espaçados.

Apesar de os eléctrodos estruturados terem sido descritos em termos de duas configurações de vestígios de metal específicas; eléctrodos estruturados podem ser modelados de qualquer maneira adequada. Como um especializado na tecnologia vai apreciar, vários modelos de vestígios de metal distribuídos uniformemente podem proporcionar carga na superfície de um polímero enquanto garantem flexibilidade numa ou mais direcções. Em alguns casos, um eléctrodo estruturado pode estar ligado à superfície do polímero numa maneira não uniforme. Como 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 modelos personalizados dos vestígios de metal. Estas regiões activas e não activas podem ser formadas para geometrias personalizadas e elevadas resoluções de acordo com técnicas de deposição de vestígios de metal convencionais. Extensão desta prática através de toda a superfície de um polímero electroactivo, modelos personalizados para eléctrodos estruturados que compreendem várias regiões activas de geometria personalizada podem resultar em actuação especializada e não uniforme do polímero electroactivo de acordo com o modelo dos eléctrodos estruturados.

Apesar de a presente invenção ter sido discutida primariamente em termos de eléctrodos planos, 'eléctrodos 37 texturados' compreendendo variação para fora de dimensões de plano podem ser usados para proporcionar um eléctrodo flexível. A FIG. 5 ilustra eléctrodos texturados exemplares 520 e 521 em conformidade com uma forma de realização da presente invenção. Os eléctrodos texturados 520 e 521 estão ligados a superfícies opostas de um polímero electroactivo 522 de tal modo que 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 texturados 520 e 521 é proporcionada por um modelo ondulante que, após deflexão planar e/ou de espessura do polímero 522, proporciona flexibilidade direccional numa direcção 526. Para proporcionar flexibilidade substancialmente uniforme para os eléctrodos texturados 520 e 521, o modelo ondulante é implementado através de toda a superfície do polímero electroactivo na direcção 526. Numa forma de realização, os eléctrodos texturados 520 e 521 são compreendidos por metal que tem uma espessura que permita sempre flexão sem fractura do metal para proporcionar flexibilidade. Tipicamente, o eléctrodo texturado 520 é configurado de tal modo a que deflexão não planar dos eléctrodos 520 e 521 é muito inferior à espessura do polímero 522 para proporcionar um campo eléctrico substancialmente constante ao polímero 522. Eléctrodos texturados podem proporcionar flexibilidade em mais do que uma direcção. Numa forma de realização específica, um eléctrodo texturado irregular proporciona flexibilidade em direcções planas ortogonais. O eléctrodo texturado irregular pode ter uma topografia semelhante à superfície irregular da FIG. 1D.

Num exemplo, eléctrodos flexíveis compreendem massa condutora 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. A título de exemplo, partículas 38 de carbono podem ser combinadas com um ligante de polímero 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 a presente invenção são adequadas para deflexões de, pelo menos, cerca de 100 por cento de deformação.

Eléctrodos flexíveis podem também incluir suspensões coloidais. Suspensões coloidais contêm partículas de tamanho de submicrómetro, como grafite, prata e ouro, num veículo líquido. Em termos gerais, qualquer suspensão coloidal que tem carga suficiente de partículas condutoras pode ser usada como um eléctrodo em conformidade com a presente invenção. Num exemplo específico, uma massa condutora que inclui partículas condutoras de tamanho coloidal é 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 a de que podem ser modeladas na superfície de um polímero por pulverização, revestimento por imersão e outras técnicas que permitem um revestimento uniforme fino de um líquido. Para facilitar adesão entre o polímero e um eléctrodo, pode ser adicionado um ligante ao eléctrodo. A título de exemplo, um silicone ou borracha de latex à base de água podem ser adicionados como um ligante a uma suspensão coloidal que inclui grafite.

Noutro exemplo, eléctrodos flexíveis podem ser conseguidos usando um material condutor com relação de aspecto elevada, como fibrilas de carbono e nanotubos de carbono. Estes materiais de carbono com relação de aspecto elevada podem formar elevadas condutividades de superfície em camadas finas. Materiais de carbono com relação de aspecto elevada podem transmitir elevada condutividade à superfície do polímero com espessuras de eléctrodo 39 relativamente baixas devido à elevada interligação dos materiais de carbono com relação de aspecto elevada. A titulo de exemplo, espessuras para eléctrodos fabricados com formas comuns de carbono que não têm relações de aspecto elevadas podem estar no intervalo de 5-50 micrómetros enquanto que as espessuras para eléctrodos feitos em fibrila de carbono ou eléctrodos de nanotubo de carbono podem ser inferiores a 2-4 micrómetros. Expansões de área bem acima de 100 por cento em múltiplas direcções são adequadas com eléctrodos de fibrila de carbono e nanotubo de carbono em acrílico e outros polímeros. Materiais de carbono de relação de aspecto elevada podem incluir o uso de um ligante de polímero para aumentar adesão com a camada de polímero electroactivo. Vantajosamente, o uso de ligante de polímero permite que um ligante específico seja seleccionado com base em adesão com uma camada de polímero electroactivo particular e com base em propriedades elásticas e mecânicas do polímero.

Num exemplo, os eléctrodos de carbono de relação de aspecto elevada podem ser fabricados finos o suficiente de tal modo que a opacidade dos eléctrodos possa ser variada de acordo com deflexão do polímero. A título de exemplo, os eléctrodos podem ser feitos finos o suficiente de tal modo que o eléctrodo varie de opaco para semitransparente após expansão planar. Esta capacidade de manipular a opacidade do eléctrodo pode permitir que transdutores da presente invenção sejam aplicados a um número de várias aplicações ópticas como será infradescrito.

Noutros exemplos, misturas de materiais ionicamente condutores podem ser usadas para os eléctrodos flexíveis. Isto pode incluir, por exemplo, materiais de polímero à base de água como glicerol ou sal em gelatina, borrachas naturais dopadas de iodo e emulsões à base de água às quais são adicionados sais orgânicos como iodeto de potássio. Para polímeros electroactivos hidrofóbicos que podem não 40 aderir bem a um eléctrodo à base de água, a superfície do polímero pode ser pré-tratada por cauterização com plasma ou com um pó fino como grafite ou negro de fumo para aumentar aderência.

Materiais usados para os eléctrodos num transdutor da presente invenção podem variar muito. Materiais adequados usados num eléctrodo podem incluir grafite, negro de fumo, suspensões coloidais, metais finos que incluem prata e ouro, polímeros e géis cheios com prata e cheios com carbono, polímeros ionicamente ou electronicamente condutores. Numa forma de realização específica, um eléctrodo adequado para uso com a presente invenção compreende 80 por cento de massa de carbono e 20 por cento de negro de fumo num ligante de borracha de silicone como Stockwell RTV60-CON como produzido pela Stockwell Rubber Co. Inc. de Filadélfia, PA. A massa de carbono é do tipo como Circuit Works 7200 como proporcionado pela ChemTronics Inc. de Kennesaw, GA. A massa condutora também pode ser misturada com um elastómero, como elastómero de silício RTV 118 como produzido pela General Electric de Waterford, NY, para proporcionar uma massa condutora de tipo gel. É entendido que certos materiais de eléctrodo podem trabalhar bem com polímeros particulares e podem não trabalhar tão bem com outros. A título de exemplo, fibrilas de carbono trabalham bem com polímeros elastómeros acrílicos enquanto não tão bem com polímeros de silicone. Para a maior parte dos transdutores, propriedades desejáveis para o eléctrodo flexível podem incluir qualquer um de um módulo de elasticidade baixo, baixo amortecimento mecânico, uma baixa resistividade de superfície, resistividade uniforme, estabilidade química e ambiental, compatibilidade química 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 41 modelação precisa durante fabrico. A titulo de exemplo, o eléctrodo flexível pode ser revestido por pulverização no polímero. Neste caso, as propriedades de material que beneficiam de revestimento por pulverização seriam desejáveis. Em alguns casos, um transdutor da presente invenção pode implementar dois tipos diferentes de eléctrodos. A título de exemplo, um actuador de diafragma da presente invenção pode ter um eléctrodo estruturado ligado à sua superfície de topo e um material de carbono de relação de aspecto elevada depositado no lado inferior.

Accionadores electrónicos estão ligados aos eléctrodos. A tensão proporcionada ao polímero electroactivo vai depender das características de uma aplicação. Numa forma de realização, um transdutor da presente invenção é accionado electricamente por modulação de uma tensão aplicada em torno de uma tensão de polarização DC. Modulação em torno de uma tensão de polarização permite sensibilidade e linearidade melhoradas do transdutor para a tensão aplicada. A título de exemplo, um transdutor usado numa aplicação áudio pode ser accionado por um sinal de mais de 200 a 10000 volts pico a pico no topo de uma tensão de polarização que varia de cerca de 750 a 2000 volts DC.

6. APLICAÇÕES

Como a presente invenção inclui transdutores que podem ser implementados à micro e macro-escalas e com uma ampla variedade de concepções de actuador, a presente invenção encontra uso numa grande gama de aplicações onde energia eléctrica é convertida em energia mecânica. Em baixo são proporcionadas várias aplicações exemplares para alguns dos actuadores supradescritos. Em termos gerais, os transdutores da presente invenção podem encontrar uso em qualquer aplicação que necessite de conversão de energia mecânica para energia eléctrica.

Como mencionado antes, polímeros electroactivos, quer 42 individualmente quer mecanicamente ligados numa colecção, podem ser referidos como músculo artificial. 0 termo músculo artificial em 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. A título de exemplo, aplicações como membros protéticos, exosqueletos e corações artificiais podem beneficiar de transdutores de polímeros pré-deformados da presente invenção. A escalonabilidade do tamanho de polímeros electroactivos e a capacidade para usar qualquer número de transdutores ou actuadores de polímeros numa colecção permite que seja usado músculo artificial de acordo com a presente invenção numa gama de aplicações maior do que as suas correspondentes biológicas. Como transdutores da presente invenção têm um intervalo de desempenho muito para além das suas correspondentes biológicas, a presente invenção não está limitada a músculo artificial que tem 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 das camadas de polímero. Todos os actuadores de movimento linear na colecção podem tirar vantagem de restrições geométricas proporcionadas pelas placas rígidas e pré-deformação anisotrópica para restringir deformação do polímero na direcção actuada. Uma vantagem da construção por camada é que tantas camadas de polímero electroactivo quantas as necessárias podem ser empilhadas em paralelo para produzir a força desejada. Além disso, o curso desta configuração de actuador de movimento linear pode ser 43 aumentado adicionando actuadores de movimento linear semelhantes em séries.

No micro-dominio, os polímeros pré-deformados podem variar em espessura de vários micrómetros a vários milímetros e, preferencialmente, de vários micrómetros a centenas de micrómetros. Micropolímeros pré-deformados são bem adequados para aplicações como jactos de tinta, válvulas actuadas, microbombas, actuadores de tipo 'inchworm', espelhos apontadores, geradores de som, micro grampos e aplicações microrobóticas. Aplicações microrobóticas podem incluir micropernas 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. A título de exemplo, uma sequência pode incluir sessenta e dois diafragmas com o diâmetro de 150 micrómetros cada dispostos numa configuração planar. Num exemplo, 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 que tem um diâmetro no intervalo de 60 a 150 micrómetros. A sequência pode ser colocada sobre placas de grelha que têm orifícios espaçados adequadamente para cada diafragma.

No macrodomínio, cada dos actuadores supradescrito pode ser bem adequado para o seu próprio conjunto de aplicações. Por exemplo, o actuador do tipo 'inchworm' da FIG. 21 é adequado para uso com pequenos robots capazes de navegar através de tubos com menos de 2 cm de diâmetro. Outros actuadores são bem adequados por exemplo, com aplicações como robótica, solenoides, geradores de som, 44 actuadores lineares, actuadores aerospaciais e automação geral.

Noutro exemplo, um transdutor da presente invenção é usado como um dispositivo de modulação óptica ou um interruptor óptico. 0 transdutor inclui um eléctrodo cuja opacidade varia com deflexão. Um polímero transparente ou substancialmente translúcido pré-deformado está ligado ao eléctrodo de variação de opacidade e deflexão do polímero é usada para modular a opacidade de 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. Assim, deflexão do polímero transparente faz com que o eléctrodo de variação de opacidade deflicta e afecte o sensor de luz. Num exemplo específico, o eléctrodo de variação de opacidade inclui fibrilas de carbono ou nanotubos de carbono que ficam menos opacos à medida que área do eléctrodo aumenta e a densidade de área fibril diminui. Noutro exemplo específico, um dispositivo de modulação óptica compreendido por um polímero electroactivo e um eléctrodo de variação de opacidade pode ser concebido para precisamente modular a quantidade de luz transmitida através do dispositivo.

Actuadores de diafragma podem ser usados como bombas, válvulas, etc. Num exemplo, um actuador de diafragma que tem um polímero pré-deformado é adequado para uso como uma bomba. Acção de bombagem é criada por actuação repetida do polímero. Bombas de polímero electroactivo compreendendo um transdutor em conformidade com a presente invenção podem ser implementadas tanto à micro como macro-escalas. A título de exemplo, o diafragma pode ser usado como uma bomba que tem um diâmetro no intervalo de cerca de 150 micrómetros a cerca de 2 centímetros. Estas bombas podem incluir deformações de polímero acima de 100 por cento e podem produzir pressões de 20kPa ou mais. A FIG. 6 ilustra um sistema de bombagem em cascata 45 bifásico que inclui bombas de diafragma 540 e 542. As bombas de diafragma 540 e 542 incluem polímeros pré-deformados 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 proporcionar um desvio ao diafragma 544 em direcção à cavidade 551.

Uma válvula unidireccional 555 permite entrada de um fluido ou gás na cavidade 551. Uma válvula unidireccional 556 permite saída do fluido ou gás fora da cavidade 551 para cavidade 552. Além disso, uma válvula unidireccional 558 permite saída do fluido ou gás da cavidade 552. Após 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 bifásico da FIG. 6, a bomba de diafragma 542 não inclui um desvio uma vez que a saída pressurizada da bomba de diafragma 540 polariza a bomba 542. Num exemplo, apenas a primeira bomba em série em cascata de bombas de diafragma usa uma pressão de desvio -ou qualquer outro mecanismo para auto-injecção. Em alguns exemplos, bombas de diafragma proporcionadas numa sequência podem incluir tensões proporcionadas por temporização electrónica para aumentar eficiência da bombagem. No exemplo mostrado na Figura 6, polímeros 544 e 546 são actuados simultaneamente para melhor desempenho. Para outros exemplos que possam envolver mais bombas de diafragma na cascata, a temporização eléctronica para os diferentes actuadores é idealmente definida de tal modo que uma bomba contrai no volume da cavidade enquanto a bomba 46 seguinte na série (como determinado pelas válvulas unidireccionais) expande. Num exemplo especifico, 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 ao mesmo caudal mas aumenta a pressão para 2,5 kPa.

Actuadores de haste de flexão, como os descritos em relação às FIGs. 2K-2M, podem ser usados numa variedade de dispositivos comerciais e aeroespaciais e aplicações como ventiladores, relés e interruptores eléctricos e detectores de luz - no micro e macro-nivel. Para actuadores de haste de flexão usados como detectores de luz, uma superfície de reflexão tal como mylar aluminizado pode estar ligada à extremidade livre de um actuador de haste de flexão. Mais especificamente, luz é reflectida quando a haste de flexão é actuada e a luz passa quando a haste de flexão está em repouso. 0 reflector pode então ser usado 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 podem também ser usadas para visores de painel plano, para controlar fluxo de ar sobre uma superfície, para altifalantes de baixo perfil e supressores de vibração, com 'forros inteligentes' para controlar transferência de calor e/ou absorção de luz sobre uma superfície e pode actuar como cílios de uma 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 pistão que se expande de forma axial após actuação. Um actuador deste tipo é análogo a um pistão 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 pode também funcionar a velocidades elevadas para uma variedade de 47 aplicações que incluem geradores de som e altifalantes acústicos, impressoras de jacto de tinta, interruptores MEMS rápidos, etc. Numa forma de realização especifica, um diafragma de polímero electroactivo é usado como um detector de luz. Mais especificamente, 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 varrimento de imagens num ângulo de varrimento de cerca de 10 a 30 graus pode ser conseguido 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 usando tensões no intervalo de 400 a 500 V. Além disso, podem ser usadas frequências maiores com uma curvatura espelhada mais rígida.

7. FABRICO

Como os polímeros pré-deformados podem ser implementados tanto à micro como à macro escalas, numa ampla variedade de concepções de actuadores, com uma ampla gama de materiais e numa larga escala de aplicações, os processos de fabrico usados com a presente invenção podem variar muito. A presente invenção proporciona métodos para fabricar dispositivos electromecânicos incluindo um ou mais polímeros pré-deformados como definido pela reivindicação 26. A FIG. 7A ilustra um fluxo de processo 600 para fabricar um dispositivo electromecânico que tem pelo menos uma camada de polímero electroactivo. Processos em conformidade a presente invenção podem incluir até várias etapas adicionais não descritas ou ilustradas aqui para não obscurecer a presente invenção. Em alguns casos, processos de fabrico da presente invenção podem incluir técnicas e materiais convencionais como técnicas e polímeros disponíveis comercialmente usados no fabrico de tecnologias 48 de micro electrónica e electrónica. Por exemplo, micro actuadores de diafragma podem ser produzidos in situ sobre silicio usando técnicas convencionais para formar os orifícios e aplicar o polímero e eléctrodos. 0 fluxo de processo 600 começa por receber ou fabricar um polímero (602). O polímero pode ser recebido ou fabricado de acordo com vários métodos. Numa forma de realização, o polímero é um produto comercialmente disponível como uma película de elastómero acrílico disponível comercialmente. Noutro exemplo, o polímero é uma película produzida por um de moldagem, imersão, revestimento por rotação ou pulverização. Num exemplo, o polímero é produzido enquanto minimiza variações em espessura ou quaisquer outros defeitos que possam comprometer a maximização do campo eléctrico que pode ser aplicado através do polímero e, assim, comprometer o desempenho.

Revestimento por rotação tipicamente envolve aplicar uma mistura de polímero num substrato rígido e girar para 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 alteradas para produzir um polímero desejado. A título de exemplo, películas de poliuretano podem ser revestidas numa solução de poliuretano e tetrahidrofurano (THF) ou ciclohexanona. No caso dos substratos de silício, o polímero pode ser revestido por rotação num plástico aluminizado ou um carboneto de silício. O alumínio e carboneto de silício formam uma camada sacrificial que é subsequentemente removida por um cauterizador adequado. Películas no intervalo de um micrómetro de espessura podem ser produzidas por revestimento por rotação desta maneira. Revestimento por rotação de películas de polímero, como silicone, pode ser feito num substrato de plástico, não 49 adesivo, suave, tal como um polimetilmetacrilato ou teflon. A película de polímero pode então ser libertada por descolagem mecânica ou com a assistência de álcool ou outro agente de libertação adequado. Revestimento por rotação também é adequado para produzir polímeros mais espessos no intervalo de 10-750 micrómetros. Em alguns casos, a mistura de polímero pode ser centrifugada antes de revestimento por rotação para remover materiais indesejados como enchimentos, particulados, impurezas e pigmentos usados em polímeros comerciais. Para aumentar eficácia centrífuga ou 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 pode então ser pré-deformado numa ou mais direcções (604) . Numa forma de realização, pré-deformação é conseguida por estirar mecanicamente um polímero em ou mais direcções e fixá-lo a um ou mais membros sólidos (por exemplo, placas rígidas) enquanto deformado. Outra técnica para manter pré-deformação inclui o uso de um ou mais reforços. Os reforços são estruturas rígidas longas colocadas num polímero enquanto está num estado pré-def ormado, por exemplo, enquanto está estirado. Os reforços mantêm a pré-deformação ao longo dos seus eixos. Os reforços podem estar dispostos em paralelo ou noutras configurações para conseguir flexibilidade direccional do transdutor. Deve ser notado que a rigidez aumentada ao longo do eixo de reforço compreende a rigidez aumentada proporcionada pelo material de reforço bem como a rigidez aumentada do polímero na direcção de pré-deformação.

De acordo com a presente invenção, superfícies no polímero pré-deformado são texturadas. Numa maneira de proporcionar textura, um polímero é estirado mais do que 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 50 curado enquanto o polímero electroactivo é estirado. Após cura, o polímero electroactivo é relaxado e o corpo deforma para proporcionar a superfície texturada. A espessura do material rígido pode ser alterada para proporcionar textura em qualquer escala, incluindo níveis de submicrómetro. Noutro exemplo, superfícies texturadas são produzidas por cauterização por ião reactivo (RIE). A título 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 onda de 4 a 5 micrómetros de profundidade.

Um ou mais eléctrodos são então formados no polímero (606). Para o polímero de silicone alterado pela RIE suprareferida, uma camada fina de ouro pode ser depositada por pulverização catódica na superfície texturada RIE para garantir um eléctrodo texturado. Noutro exemplo, um ou mais eléctrodos de grafite podem ser modelados e depositados usando um estêncil. Eléctrodos que compreendem massas condutoras misturadas com um silicone condutor podem ser fabricados por dissolução de massa condutora e de silicone condutor não curado num solvente. A solução pode então ser pulverizada no material de polímero electroactivo e pode incluir uma máscara ou estêncil para conseguir um modelo particular.

Os vestígios de metal dos eléctrodos estruturados das FIGs. 3 e 4 podem ser modelados fotolitograficamente em topo do polímero ou camada de distribuição de carga. A título de exemplo, uma camada de ouro é depositada por pulverização catódica antes de deposição de uma foto resistência sobre o ouro. A foto resistência e o ouro podem ser modelados de acordo com as técnicas fotolitográficas convencionais, por exemplo, usando uma máscara seguida por uma ou mais lavagens para remover a foto resistência. Uma camada de distribuição de carga adicionada entre o polímero 51 e os vestígios de metal pode ser depositada por revestimento por rotação, por exemplo.

Num exemplo específico, um eléctrodo estruturado é formado num polímero por deposição por pulverização catódica de ouro durante cerca de 2 a 3 minutos (de acordo com uma espessura desejada) a cerca de 15 nm por minuto. A foto resistência HPR 506 como proporcionada pela Arch Chemicals, de Norwalk, Connecticut é então revestida por rotação no 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 de exposição da foto resistência a luz UV e revelação para remover 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 realçar tolerância de deformação.

Eléctrodos texturados podem também ser modelados fotolitograficamente. Neste caso, uma foto resistência é depositada num polímero pré-deformado e modelada usando uma máscara. Cauterização com plasma pode remover porções de polímero electroactivo não protegido pela máscara num modelo 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 depositada por pulverização catódica, por exemplo. 0 transdutor, que compreende uma ou mais camadas de polímero e eléctrodos, é então embalado de acordo com uma aplicação (608). Embalamento pode também incluir montagem de múltiplos transdutores mecanicamente ligados ou empilhados como múltiplas camadas. Além disso, ligações mecânicas e eléctricas aos transdutores podem ser formadas de acordo com uma aplicação. Métodos alternativos para fabricar dispositivos 52 electromecâncios que incluem múltiplas camadas de polímero pré-deformado são como se segue. Num exemplo, um processo para fabricar dispositivos electromecânicos começa por obtenção ou fabrico de uma camada de polímero. 0 polímero é então estirado para a pré-deformação desejada e ligado a um primeiro quadro rígido. Eléctrodos seguintes são depositados em ambos os lados do polímero para definir áreas activas e estabelecer ligações eléctricas. Os eléctrodos podem ser modelados por uma variedade de técnicas bem conhecidas como revestimento por pulverização através de uma máscara. Se desejado, é então estirada uma segunda camada de polímero num segundo quadro. Eléctrodos são então modelados nesta segunda camada de polímero. A segunda camada de polímero está então ligada à primeira camada por empilhamento dos seus respectivos quadros. Camadas de adesivos flexíveis adequados podem ser usadas para ligar as duas camadas e os eléctrodos, se necessário. 0 tamanho dos quadros é escolhido para não interferir com as camadas de polímero que fazem contacto íntimo. 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 maneira 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.

Quadros rígidos, membros rígidos ou outros conectores eléctricos e mecânicos estão então ligados às camadas de polímero, por exemplo, por colagem. Se desejado, o polímero pode então ser removido do primeiro quadro. Em alguns casos, o primeiro quadro pode servir como uma parte estrutural dos actuadores ou actuador final. Por exemplo, o primeiro quadro pode ser uma sequência de orifícios para produzir uma sequência de actuadores de diafragma. 53

As FIGs. 7B-F ilustram um segundo processo para fabricar um dispositivo electromecânico 640 que tem múltiplas camadas de polimero electroactivo. Processos em conformidade com a presente invenção podem incluir para cima de várias etapas adicionais não descritas ou ilustradas aqui para não obscurecer a presente invenção. O processo começa por produção de um polímero pré-deformado 622 num substrato rígido adequado 624, por exemplo, por revestimento por rotação de um polímero num disco de polimetilmetacrilato (PMMA), estirando o polímero (FIG. 7B) e depois ligando-o ao substrato rígido 624. Depois de o polímero 622 estar curado, os eléctrodos 625 são modelados no lado exposto 626 do polímero 622. Um membro sólido 627 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. 0 substrato rígido 624 é então liberto do polímero electroactivo 622 (FIG. 7D) . Um agente de libertação como álcool isopropílico pode ser usado para facilitar a libertação. Eléctrodos 629 são então modelados no lado previamente não exposto do polímero 622. A montagem está então ligada a outra camada de polímero electroactivo 630 ligado a um substrato rígido 631 (FIG. 7E) . As camadas de polímero 622 e 630 podem estar ligadas por uma camada adesiva 632 que compreende silicone GE RTV 118, por exemplo. 0 substrato rígido 631 é então liberto do polímero 630 e eléctrodos 633 são modelados sobre o lado disponível 634 do polímero 630. Se forem desejadas camadas adicionais de polímero, as etapas de adicionar uma camada de polímero, remover o substrato rígido e adicionar eléctrodos podem ser repetidos para produzir tantas camadas de polímero quanto desejadas. Camada de polímero 635 foi adicionada desta maneira. Para facilitar comunicação eléctrica com os eléctrodos nas camadas interiores do dispositivo 640, um pino de metal pode ser impelida através da estrutura para 54 fazer contacto com eléctrodos em cada camada. 0 membro sólido 627 pode então ser modelado ou removido conforme necessário para proporcionar o quadro ou ligações mecânicas requeridos pelo tipo de actuador especifico. Numa forma de realização, actuadores de diafragma podem ser formados por modelação de membro sólido 627 para formar orifícios 636 que proporcionam regiões activas para o dispositivo electromecânico 640 usando uma técnica de máscara ou cauterização adequada (FIG.7F). Noutra forma de realização, se a área activa não for grande e os eléctrodos poderem ser adicionados às regiões activas dos polímeros sem dano, o membro sólido 627 pode ser modelado com os orifícios 636 antes de ligação ao polímero 622.

Para o processo das FIGs. 7B-F, o substrato rígido 624 é tipicamente liberto do polímero electroactivo 622 por descolagem do polímero electroactivo flexível. Descolagem é bem adequada para fabricar dispositivos que compreendem polímeros electroactivos com um perfil substancialmente plano. Noutro exemplo, podem ser usadas camadas sacrificiais entre o polímero ou eléctrodos e o substrato rígido para facilitar libertação. As camadas sacrificiais permitem que o polímero, eléctrodos e montagem ligada sejam libertos de um substrato rígido por cauterização da camada sacrificial. Metais compreendendo alumínio e prata são adequados para uso como camadas sacrificiais, por exemplo. O uso de metais permite que as camadas sacrificiais sejam cauterizadas por líquidos que não afectam as camadas de polímero. Camadas sacrificiais de metal também podem ser facilmente modeladas com várias técnicas de máscara para proporcionar quadros, conectores para outros componentes estruturais para o dispositivo electromecânico 640. As camadas sacrificiais podem também ser usadas para fabricar dispositivos que compreendem transdutores com perfis não planos, por exemplo usando substratos rígidos modelados 55 como tubos. Para transdutores geometricamente complexos, camadas sacrificiais podem ser usadas em combinação com revestimento por imersão para proporcionar a geometria complexa.

Apesar de fabrico de polímeros pré-deformados ter sido descrito de forma breve com referência a alguns exemplos específicos, técnicas e processos de fabrico podem variar de acordo com qualguer dos actuadores ou aplicações supradescritos. Por exemplo, o processo para fabricar um actuador de diafragma pode incluir revestimento por rotação de um polímero num substrato antes de um eléctrodo estruturado ser fabricado no polímero. 0 polímero é então estirado e quadros rígidos que incluem um ou mais orifícios dimensionados para a área activa de cada actuador de diafragma estão ligados ao polímero pré-deformado, incluindo quaisquer porções sobrepostas do eléctrodo estruturado. Noutro exemplo, orifícios são cauterizados no substrato em vez de uso de um quadro rígido separado, por exemplo, quando o substrato compreende silício. 0 substrato é então liberto do polímero e um eléctrodo está ligado ao lado da base do polímero.

8. CONCLUSÃO

Enquanto esta invenção tem sido descrita em termos de várias formas de realização preferidas, existem alterações, permutações e equivalentes que estão contidas no âmbito desta invenção como definidas pelas reivindicações que foram omitidas a favor de brevidade. 56

REFERENCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente Europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Literatura não relacionada com patentes, citada na descrição • RONALD E. PELRINE et al. Electrostriction of polymer dielectrics with compliant electrodes as a means of actuation. Sensors and Actuators A, 1998, vol. 64,77-85 [0006]

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um transdutor para converter energia eléctrica em energia mecânica, o transdutor que compreende: pelo menos dois eléctrodos; um polímero pré-deformado disposto numa maneira que faz com que uma porção do polímero deflicta de uma primeira posição com uma primeira área de superfície a uma segunda posição com uma segunda área de superfície em resposta a uma alteração em campo eléctrico; um membro rígido ligado ao polímero, caracterizado por o polímero compreender uma superfície não uniforme, em que a superfície não uniforme é texturada.

2. Transdutor de acordo com a reivindicação 1, em que o membro rígido é adequadamente rígido para manter o nível de pré-deformação no polímero.

3. Transdutor de acordo com reivindicações 1 ou 2, em que o membro rígido está incluído num quadro.

4. Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a porção do polímero está ligada ao membro rígido numa primeira posição.

5. Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o polímero é isotropicamente pré-def ormado .

6. Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 1-4, em que o polímero é anisotropicamente pré-deformado, para que o polímero seja relativamente mais rígido numa direcção de elevada pré-deformação, e mais flexível numa direcção de baixa pré-deformação.

7. Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações 2 anteriores 1 — 5, em que o polímero é elasticamente pré— deformado por um factor no intervalo de cerca de 1,5 vezes a 50 vezes a área original.

8. Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores 1-5 em que a quantidade de pré-deformação elástica para o polímero varia de menos 100 a mais 600%.

9. Transdutor de acordo com reivindicação 5, em que o polímero é um elastómero acrílico, elasticamente pré-deformado por pelo menos cerca de 100%, e é preferencialmente pré-deformado por cerca de 200-400%.

10. Transdutor de acordo com a reivindicação 6, em que o polímero é um polímero elastomérico acrílico, elasticamente pré-deformado por estiramento por 100 % numa direcção e por 500% numa direcção perpendicular.

11. Transdutor de acordo com a reivindicação 5, em que o polímero é um polímero elastomérico acrílico, elasticamente pré-deformado por estiramento por 200-400% em ambas as direcções planares.

12. Transdutor de acordo com a reivindicação 6, em que o polímero anisotropicamente pré-deformado é elasticamente pré-deformado por cerca de 400-500% numa direcção e por cerca de 20-200% numa direcção perpendicular.

13. Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o membro de suporte, rígido fixa a porção do polímero numa primeira posição, em que pré-deformação elástica da porção do polímero é realizada por estiramento de uma área de superfície inicial à primeira área de superfície para melhorar a resposta mecânica do transdutor quando deflecte da primeira posição à segunda 3 posição, e em que o membro rígido fornece uma força à porção estirada do polímero que evita que a porção estirada do polímero regresse da primeira área de superfície a cerca de sua área de superfície inicial, e em que uma relação da primeira área de superfície à área de superfície inicial está no intervalo de cerca de 1 a cerca de 50 numa primeira direcção e no intervalo de menos do que cerca de 1 numa direcção de área de superfície ortogonal à primeira direcção.

14. O transdutor da reivindicação 13 em que a relação da primeira área de superfície com a área de superfície inicial na direcção ortogonal está no intervalo de cerca de -1 a cerca de 1.

15. O transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o transdutor tem uma deformação linear máxima de pelo menos cerca de 50%, em resposta à alteração em campo eléctrico.

16. O transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, que tem uma deformação linear máxima de pelo menos cerca de 100%.

17. Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o polímero tem uma deformação linear máxima no intervalo de 40-215%.

18. Transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o polímero tem uma deformação de área no intervalo de 70-330%, e preferencialmente de pelo menos cerca de 100%.

19. 0 transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores que tem uma eficiência electromecânica superior 4 a cerca de 80 por cento.

20. O transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o polímero tem um módulo de elasticidade no máximo cerca de 100 MPa.

21. O transdutor de acordo com a reivindicação 1, em que a superfície texturada compreende depressões que têm uma largura e uma profundidade inferiores à espessura do polímero.

22. O transdutor de acordo com as reivindicações 1 ou 21, em que a superfície texturada compreende cristãs que têm uma largura e altura substancialmente inferiores à espessura do polímero

23. O transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores 1, 21-22, em que a superfície não uniforme compreende uma superfície rugosa.

24. O transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores em que o polímero tem uma pressão de actuação máxima entre cerca de 0.05 MPa e cerca de 10 MPa, preferencialmente entre cerca de 0.3 MPa e cerca de 3 MPa.

25. O transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores em que o polímero tem uma constante dieléctrica entre cerca de 2 e cerca de 20, e preferencialmente entre cerca de 2,5 e cerca de 12.

26. Método de fabricar um transdutor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, que compreendem as etapas de: a. pré-deformar elasticamente uma primeira porção de um polímero para formar o polímero pré-deformado, e fixar uma 5 segunda porção do polímero pré-deformado a um membro sólido, e formar um ou mais eléctrodos no polímero pré-def ormado .