PT2264801E

PT2264801E - Polímeros electroactivos

Info

Publication number: PT2264801E
Application number: PT100093004T
Authority: PT
Inventors: Qibing Pei; Seajin Oh; Ronald Pelrine; Roy Kornbluh; Jose Joseph
Original assignee: Stanford Res Inst Int
Priority date: 1999-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2012-12-10
Also published as: DK1221180T3; WO2001006579A8; EP2264801A3; WO2001006579A2; JP2014014266A; EP2264801A2; DE60044940D1; JP2003506858A; DK1848046T3; WO2001006579A3; JP5607018B2; AU7052000A; EP1848046B1; JP2009267429A; JP5937044B2; ATE480872T1; EP2264801B1; ES2394160T3; JP5840825B2; EP1221180A4

Description

1 DESCRIÇÃO "POLÍMEROS ELECTROACTIVOS"

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se, de um modo geral, a polímeros electroactivos que convertem a energia eléctrica em energia mecânica. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a polímeros pré-tensionados e respectiva utilização em actuadores e várias aplicações.

Em muitas aplicações, é desejável converter a energia eléctrica em energia mecânica. Os exemplos de aplicações que requerem uma translação de energia eléctrica para energia mecânica incluem robótica, bombas, altifalantes, automação geral, unidades de disco e dispositivos prostéticos. Estas aplicações incluem um ou mais actuadores que convertem energia eléctrica em trabalho mecânico - num nível macroscópico ou microscópico. As tecnologias comuns de actuadores eléctricos, tal como motores electromagnéticos e solenoides, não são apropriados para muitas destas aplicações, por exemplo, quando o tamanho requerido para o dispositivo é pequeno (por exemplo, máquinas de microescala ou de média escala). Estas tecnologias também não são ideais quando um elevado número de dispositivos tem de ser integrado numa estrutura única 2 ou sob variadas condições de performance, tais como quando é requerida uma emissão de densidade de alta potência em frequências relativamente baixas. Vários "materiais inteligentes" têm sido utilizados com pouco êxito para a conversão entre energia eléctrica e energia mecânica. Estes materiais inteligentes incluem cerâmicas piezoeléctricas, ligas com memória de forma e materiais magnetoestrictivos. No entanto, cada material inteligente apresenta uma série de limitações que impedem a sua utilização em grande escala. Determinadas cerâmicas piezoeléctricas, tais como titanato zirconato de chumbo (PZT), foram utilizadas para converter energia eléctrica em energia mecânica. Embora apresentem uma eficiência adequada para algumas aplicações, estas cerâmicas piezoeléctricas são, tipicamente, limitadas a uma tensão inferior cerca de 1,6 porcento e, muitas vezes, não são apropriadas para as aplicações que requerem tensões superiores. Para além disso, a elevada densidade destes materiais, muitas vezes, elimina-os de aplicações que requerem um peso diminuto. Difluoreto de polivinilideno irradiado (PVDF) é um polímero electroactivo assinalado como tendo uma tensão de até 4 porcento, aquando da conversão de energia eléctrica em energia mecânica. Tal como acontece com as cerâmicas piezoeléctricas, o PVDF, muitas vezes, não é apropriado para as aplicações que requerem tensões superiores a 4 porcento. As ligas com memória de forma, tais como nitinol, têm capacidade para tensões elevadas e saídas de força. Estas ligas com memória de forma foram impedidas de uma utilização alargada devido a uma eficiência energética 3 inaceitável, um tempo de resposta demorado e um custo proibitivo.

Em adição às limitações de performance das cerâmicas piezoeléctricas e PVDF irradiados, o próprio fabrico, muitas vezes, representa uma barreira à sua aceitabilidade. As cerâmicas piezoeléctricas de cristais únicos têm de ser submetidas a altas temperaturas associadas a um processo de arrefecimento muito lento. 0 PVDF irradiado tem de ser exposto a um feixe de electrões para ser processado. Ambos estes processos são caros e complexos, e podem limitar a aceitabilidade destes materiais.

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

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um actuador para converter energia eléctrica em energia mecânica. 0 actuador engloba um elemento flexível que apresenta uma extremidade fixa e uma extremidade livre, englobando o elemento flexível pelo menos dois eléctrodos e um polímero pré-tensionado com um módulo elástico com um máximo de cerca de 100 MPa, disposto de uma maneira que faz com que a porção 4 do polímero deflicta, em resposta a uma alteração no campo eléctrico proporcionado pelos, pelo menos, dois eléctrodos.

Dispositivos conhecidos estão descritos na US 4 342 936, EP 0 475 564 Al, Ronald E. Pelrine et al., "Electrostriction of polymer dielectrics with compliant electrodes as a means of actuation", Sensors and Actuators A, vol. 64, p. 77-85, (1998); Roy Kornbluh et al., "Electrostrictive Polymer Artificial Muscle Actuators", Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics & Automation, Leuven, Belgium, May 1998, p. 2147-2154, (1998), US 5 356 500.

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

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

As figuras IA e 1B ilustram uma vista em perspectiva superior de um transdutor antes e depois da aplicação de uma voltagem. A figura 1C ilustra uma superfície texturada para um polímero electroactivo com um perfil ondulado. 5 A figura 1D ilustra um polímero electroactivo, incluindo uma superfície texturada com uma textura aleatória. A figura 1E ilustra uma vista lateral em corte transversal de um actuador de diafragma, incluindo um polímero electroactivo antes da aplicação de uma voltagem. A figura 1F ilustra uma vista em corte transversal do diafragma de polímero electroactivo da figura 1E depois da aplicação de uma voltagem.

As figuras 2A e 2B ilustram um actuador de arqueamento incluindo componentes adicionais para melhorar a deflexão.

As figuras 2D e 2E ilustram um actuador de movimento linear antes e depois da activação. A figura 2F ilustra uma vista lateral em corte transversal de um actuador, incluindo múltiplas camadas de polímero. 6 A figura 2G ilustra um actuador multicamadas empilhado como exemplo de um músculo artificial. A figura 2H ilustra um actuador linear que engloba um diafragma de polímero electroactivo. A figura 21 ilustra um actuador do tipo larva de geometridae, incluindo um polímero electroactivo enrolado. A figura 2J ilustra um actuador de película esticada para proporcionar deflexão numa direcção. A figura 2K ilustra um actuador de feixe de flexão de acordo com uma realização da presente invenção. A figura 2L ilustra o actuador de feixe de flexão da figura 2K com um ângulo de flexão de 90 graus. A figura 2M ilustra um actuador de feixe de flexão, incluindo duas camadas de polímero de acordo com outra realização da presente invenção. 7 A figura 3 ilustra um eléctrodo estruturado que proporciona um flexionamento unidireccional. A figura 4 ilustra um polimero pré-tensionado que engloba um eléctrodo estruturado que não é direccionalmente flexível. A figura 5 ilustra eléctrodos texturados. A figura 6 ilustra um sistema de bombeamento de dois níveis em cascata, incluindo duas bombas actuadoras de diafragma. A figura 7A ilustra um fluxo de processo para fabricar um dispositivo electromecânico com, pelo menos, um polímero pré-tensionado.

As figuras 7B a F ilustram um processo de fabrico de um dispositivo electromecânico que apresenta várias camadas de polímero.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS REALIZAÇÕES PREFERENCIAIS A presente invenção será agora descrita mais detalhadamente, com referência a algumas realizações preferenciais da mesma, de acordo com o gue está ilustrado nas figuras anexas. Na descrição que se segue encontram-se apresentados inúmeros detalhes específicos com o objectivo de facultar uma compreensão fundamentada da presente invenção. Será, no entanto, óbvio para um perito da técnica que a presente invenção poderá ser posta em práctica sem alguns ou até sem todos estes detalhes específicos. Noutras situações, as etapas processuais e/ou estruturas bem conhecidas não foram descritas de forma detalhada, de modo a impedir uma confusão desnecessária relativamente à presente invenção.

1. SÍNTESE

Os polímeros electroactivos deflectem quando são activados por meio de energia eléctrica. Num exemplo, polímero electroactivo refere-se a um polímero que actua como uma dieléctrica isoladora entre dois eléctrodos e poderá deflectir quando se aplica uma diferença de voltagem entre os dois eléctrodos. Num aspecto, a presente invenção refere-se a polímeros que se encontram pré-tensionados para melhorar a conversão entre energia eléctrica e energia mecânica. 0 pré-tensionamento melhora a resposta mecânica de um polímero electroactivo relativamente a um polímero 9 electroactivo não tensionado. A resposta mecânica melhorada permite um melhor funcionamento mecânico de um polímero electroactivo, por exemplo, maiores deflexões e pressões de activação. Por exemplo, são possíveis tensões lineares de pelo menos 200 porcento e tensões de área de pelo menos 300 porcento com os polímeros pré-tensionados utilizados na presente invenção. A pré-tensão poderá variar em diferentes direcções de um polímero. A combinação da variabilidade de direcções da pré-tensão, das diferentes formas de tensionar um polímero, da escalabilidade de polímeros electroactivos em ambos os níveis, micro e macro, e das diferentes orientações de polímero (por exemplo, enrolar ou empilhar camadas individuais de polímero) permite um grande leque de actuadores que convertem energia eléctrica em energia mecânica.

Dado que os polímeros electroactivos utilizados na presente invenção poderão deflectir com tensões lineares de pelo menos 200 porcento, os eléctrodos ligados aos polímeros deveriam igualmente deflectir sem comprometer a performance mecânica ou eléctrica. De forma correspondente, são descritos eléctrodos flexíveis que se encontram em conformidade com o formato de um polímero electroactivo ao qual estão ligados. Os eléctrodos têm capacidade para manter uma comunicação eléctrica nas elevadas deflexões encontradas com polímeros pré-tensionados da presente invenção. A titulo de exemplo, com este tipo de eléctrodo são comuns tensões de pelo menos cerca de 50 porcento. Em alguns exemplos, o flexionamento proporcionado pelos eléctrodos poderá variar com a direcção. 10

Dado que os polímeros pré-tensionados são adequados para serem utilizados em ambas as escalas, micro e macro, numa qrande variedade de actuadores e num qrande leque de aplicações, os processos de fabrico utilizados na presente invenção apresentam uma grande variação. Noutro aspecto, são proporcionados os métodos para fabricar dispositivos electromecânicos incluindo um ou mais polímeros pré-tensionados. O pré-tensionamento poderá ser obtido através de várias técnicas, como por exemplo, o alongamento mecânico de um polímero electroactivo e a fixação do polímero a um ou mais elementos sólidos durante o alongamento.

2. ESTRUTURA GERAL DOS DISPOSITIVOS

As figuras IA e 1B ilustram uma vista em perspectiva superior de um transdutor 100. O transdutor 100 inclui um polímero 102 para a transferência entre energia eléctrica e energia mecânica. Os eléctrodos superiores e inferiores 104 e 106 encontram-se ligados ao polímero electroactivo 102 nas respectivas superfícies superior e inferior para proporcionar uma diferença de voltagem ao longo de uma parte do polímero 102. 0 polímero 102 deflecte com uma alteração no campo eléctrico, proporcionada pelos eléctrodos superior e inferior 104 e 106. A deflexão do transdutor 100, em resposta a uma alteração no campo eléctrico proporcionado pelos eléctrodos 104 e 106 é referida como activação. À medida que o polímero 102 muda 11 de tamanho, a deflexão poderá ser utilizada para produzir resultados mecânicos. A figura 1B ilustra uma vista em perspectiva superior do transdutor 100, incluindo a deflexão em resposta a uma alteração no campo eléctrico. De um modo geral, a deflexão refere-se a qualquer deslocamento, expansão, contracção, torsão, tensionamento linear ou de área, ou qualquer outra deformação de uma parte do polímero 102. A alteração no campo eléctrico, que corresponde à diferença de voltagem produzida pelos eléctrodos 104 e 106, produz uma pressão mecânica no interior do polímero 102 pré-tensionado. Neste caso, as diferentes cargas eléctricas produzidas pelos eléctrodos 104 e 106 provocam uma atracção mútua, proporcionando uma força de compressão entre os eléctrodos 104 e 106, e uma força de expansão no polímero 102 numa direcção plana 108 e 110, causando uma compressão do polímero 102 entre os eléctrodos 104 e 106 e o respectivo alongamento nas direcções planas 108 e 110.

Em alguns casos, os eléctrodos 104 e 106 cobrem uma parte delimitada do polímero 102 relativamente à área total do polímero. Tal poderá ocorrer para impedir uma avaria eléctrica à volta da margem do polímero 102 ou para alcançar deflexões customizadas em determinadas partes do polímero. De acordo com esta utilização do termo, uma região activa é definida como sendo uma parte do material polímero 102 com uma força electroestática suficientemente grande para permitir a deflexão da parte. Tal como será 12 seguidamente descrito, um polímero poderá ter múltiplas regiões activas. 0 material do polímero 102 que se encontra fora de uma região activa, poderá agir como força de mola externa sobre a área activa durante a deflexão. Mais especificamente, o material fora da área activa poderá resistir à deflexão da área activa por meio de uma contracção ou expansão, respectivamente. A remoção da diferença de voltagem e da carga induzida causa o efeito inverso. Os eléctrodos 104 e 106 são flexíveis e mudam de formato com o polímero 102. A configuração do polímero 102 e dos eléctrodos 104 e 106 facultam um aumento da resposta do polímero 102 com a deflexão. Mais especificamente, à medida que o transdutor 100 deflecte, a compressão do polímero 102 faz com que as cargas opostas dos eléctrodos 104 e 106 se aproximem e o alongamento do polímero 102 separa as cargas semelhantes em cada eléctrodo. Num exemplo, um dos eléctrodos 104 e 106 é de terra.

De um modo geral, o transdutor 100 continua a deflectir até que as forças mecânicas equilibrem as forças electroestáticas que accionam a deflexão. As forças mecânicas incluem forças elásticas de retorno do material polímero 102, o flexionamento dos eléctrodos 104 e 106, e qualquer resistência externa proporcionada por um dispositivo e/ou carga acoplada ao transdutor 100. A deflexão resultante do transdutor 100, como resultado da voltagem aplicada, poderá também depender de uma série de outros factores, tais como a constante dieléctica do polímero 102 e do tamanho do polímero 102. 13

Polímeros electroactivos como os descritos apresentam a capacidade de deflexão em qualquer direcção. Após a aplicação da voltagem entre os eléctrodos 104 e 106, o polímero electroactivo 102 aumenta em tamanho em ambas as direcções planas, 108 e 110. Em alguns casos, o polímero electroactivo 102 não é susceptível de compressão apresentando, por exemplo, sob stresse, um volume substancialmente constante. Neste caso, o polímero 102 diminui em espessura como resultado da expansão nas direcções planas 108 e 110. Repare-se que a utilização de polímeros na presente invenção não se limita a polímeros não compressíveis, e a deflexão do polímero 102 poderá não se ajustar a uma relação simples como esta. O polímero electroactivo 102 encontra-se pré-tensionado. O pré-tensionamento melhora a conversão entre energia eléctrica e energia mecânica. Numa realização, o pré-tensionamento melhora a resistência dieléctrica do polímero. Relativamente ao transdutor 100, o pré-tensionamento permite que o polímero electroactivo 102 deflicta mais e proporcione um melhor funcionamento mecânico. O pré-tensionamento de um polímero poderá ser descrito numa ou várias direcções, dado que existe uma alteração na dimensão numa direcção depois do pré-tensionamento em relação à dimensão na mesma direcção antes do pré-tensionamento. O pré-tensionamento poderá englobar uma deformação elástica do polímero 102 e poderá ser formado, por exemplo, através do alongamento do polímero sob tensão e da fixação de uma ou várias das extremidades enquanto alongadas. Num exemplo, o pré-tensionamento é 14 elástico. Após a activação, um polímero elasticamente pré-tensionado poderia, em princípio, ser libertado e voltar ao respectivo estado original. 0 pré-tensionamento poderá ser imposto nas delimitações utilizando uma estrutura rígida ou poderá ser implementado localmente numa parte do polímero.

Num exemplo, o pré-tensionamento é aplicado de modo uniforme ao longo de uma parte do polímero 102 para produzir um polímero pré-tensionado isotrópico. A título de exemplo, um polímero acrílico elastomérico poderá ser alongado em 200 - 400 porcento em ambas as direcções planas. Noutro exemplo, o pré-tensionamento é aplicado de modo não uniforme, em diferentes direcções, para uma parte do polímero 102, para produzir um polímero anisotrópico pré-tensionado. Neste caso, o polímero 102 poderá deflectir mais numa direcção do que noutra, quando activado. Embora não se pretenda que exista uma limitação pela teoria, crê-se que o pré-tensionamento de um polímero numa direcção poderá aumentar a rigidez do polímero na direcção de pré-tensionamento. De forma correspondente, o polímero está relativamente mais rígido na direcção de elevado pré-tensionamento e mais flexível na direcção de baixo pré-tensionamento e, aquando da activação, a maior parte da deflexão ocorre na direcção de baixo pré-tensionamento. Numa realização, o transdutor 100 reforça a deflexão na direcção 108, explorando o elevado pré-tensionamento na direcção perpendicular 110. A título de exemplo, um polímero acrílico elastomérico utilizado como transdutor 100 poderá ser alongado em 100 porcento na direcção 108 e em 500 porcento na direcção perpendicular 110. A construção 15 do transdutor 100 e as delimitações da margem geométrica poderão igualmente afectar a deflexão direccional, tal como será descrito mais abaixo relativamente aos actuadores. A quantidade de pré-tensionamento para um polímero poderá basear-se no polímero electroactivo e a performance desejada do polímero num actuador ou numa aplicação. Para alguns polímeros utilizados na presente invenção, o pré-tensionamento numa ou mais direcções poderá variar entre 100 e 600 porcento. A título de exemplo, para um elastómero acrílico VHB com pré-tensionamento isotrópico, poderão ser utilizados, em todas as direcções, pelo menos 100 porcento e, preferencialmente, entre cerca de 200 e 400 porcento. Num exemplo, o polímero é pré-tensionado por um factor que se situa entre 1,5 a 50 vezes a área original. Para um acrílico anisotrópico, pré-tensionado, para reforçar a activação numa direcção compatível, poderão ser utilizados pré-tensionamentos entre cerca de 400 a 500 porcento na direcção rígida e pré-tensionamentos entre cerca de 20 a 200 porcento na direcção compatível. Em alguns casos, o pré-tensionamento poderá ser adicionado numa direcção, de modo a ocorrer um pré-tensionamento negativo noutra direcção, por exemplo, 600 porcento numa direcção associados a 100 porcento numa direcção ortogonal. Nestes casos, a alteração líquida na área, devido ao pré-tensionamento é, tipicamente, positiva. O pré-tensionamento poderá afectar outras propriedades do polímero 102. Os pré-tensionamentos maiores poderão 16 alterar as propriedades elásticas do polimero e torná-lo mais rígido com menos perdas viscoelásticas. Para alguns polímeros, o pré-tensionamento aumenta a resistência à falha eléctrica do polímero 102, o que permite a utilização de campos eléctricos mais elevados no âmbito do polímero, permitindo, deste modo, pressões de activação e deflexões mais elevadas.

Tensionamento linear e tensionamento de área poderão ser utilizados para descrever a deflexão de um polímero pré-tensionado. Tal como o termo é aqui utilizado, o tensionamento linear de um polímero pré-tensionado refere-se à deflexão por comprimento de unidade ao longo de uma linha de deflexão, relativamente ao estado não activado. Tensionamentos lineares máximos (traccionáveis ou compressivos) com pelo menos cerca de 50 porcento são comuns em polímeros pré-tensionados da presente invenção. Obviamente, um polímero poderá deflectir com um tensionamento menor que o máximo, e o tensionamento poderá ser ajustado adaptando a voltagem aplicada. Para alguns polímeros pré-tensionados, são comuns tensionamentos lineares máximos de pelo menos 100 porcento. Para polímeros como os VHB 4910, tal como produzidos pela 3M Corporation of St. Pail, MN, são comuns tensionamentos lineares máximos na ordem dos 40 a 215 porcento. O tensionamento de área de um polímero electroactivo refere-se à alteração na área plana, por exemplo, a alteração no plano definido pelas direcções 108 e 110 nas figuras IA e 1B, por área de unidade do polímero, aquando da activação e relativamente ao estado não activado. Os tensionamentos de área máximos, 17 de pelo menos cerca de 100 porcento, são possíveis para polímeros pré-tensionados da presente invenção. Para alguns polímeros pré-tensionados, são comuns tensionamentos de área máximos na ordem de 70 a 330 porcento.

Normalmente, depois de o polímero estar pré-tensionado, poderá ser fixado a um ou vários objectos. Cada objecto poderá estar suficientemente rígido para manter o nível de pré-tensionamento pretendido no polímero. O polímero poderá ser fixado aos objectos, um ou vários, de acordo com qualquer método convencional conhecido na técnica, tal como um adesivo químico, uma camada ou material adesivo, uma ligação mecânica, etc.

Transdutores e polímeros pré-tensionados não são limitados a qualquer geometria ou deflexão linear particular. Por exemplo, o polímero e os eléctrodos poderão apresentar qualquer geometria ou formato incluindo o de tubos e rolos, polímeros alongados anexados entre várias estruturas rígidas, polímeros alongados anexados ao longo de uma estrutura de qualquer geometria - incluindo geometrias curvadas ou complexas, ao longo de uma estrutura com uma ou várias juntas, etc. A deflexão de um transdutor inclui expansão linear e compressão numa ou várias direcções, dobragem, deflexão axial quando o polímero é rolado, deflexão para fora de um orifício providenciado num substrato, etc. A deflexão de um transdutor poderá ser afectada pela forma como o polímero fica delimitado por uma estrutura ou estrutura rígida ligada a este mesmo polímero. 18

Numa realização, um material flexível que, quando alongado, é mais rígido que o polímero, é ligado a um lado do transdutor e induz uma dobragem aquando da activação do polímero. Noutro exemplo, um transdutor que deflecte radialmente para fora do plano é referido como um diafragma. Um actuador de diafragma será descrito de uma forma mais detalhada relativamente às figuras 1E e 1F.

Os polímeros electroactivos num actuador da presente invenção poderão apresentar uma superfície texturada. A figura 1C ilustra uma superfície texturada 150 para um polímero electroactivo 152 com um perfil do tipo ondulado. A superfície texturada 150 permite ao polímero 152 uma deflexão utilizando a dobragem de ondas de superfície 154. A dobragem das ondas da superfície 154 proporciona um flexionamento direccional numa direcção 155, com menos resistência que um alongamento em massa de um eléctrodo rígido ligado ao polímero 152 na direcção 155. A superfície texturada 150 poderá ser caracterizada por cavas e picos de onda de, por exemplo, cerca de 0,1 micrómetros a 40 micrómetros de largura e cerca de 0,1 micrómetros a 20 micrómetros de profundidade. Neste caso a largura e a profundidade de onda são substancialmente inferiores à espessura do polímero. Num exemplo, as cavas e os picos têm uma largura de aproximadamente 10 micrómetros e uma profundidade de aproximadamente seis micrómetros, numa camada de polímero com uma espessura de 200 micrómetros. 19

Num exemplo, uma camada fina de material rígido 156, tal como um eléctrodo, encontra-se ligada ao polímero 152 para proporcionar o perfil do tipo ondulado. Durante o fabrico, o polímero electroactivo é alongado mais do que é possível ser alongado quando é actuado, e a camada fina de material rígido 156 é ligada à superfície do polímero alongado 152. Subsequentemente, o polímero 152 é relaxado e a estrutura dobra-se para proporcionar a superfície texturada.

De um modo geral, uma superfície texturada poderá englobar qualquer topografia de superfície não uniforme e não lisa que permite que um polímero deflicta utilizando uma reformação na superfície do polímero. A título de exemplo, a figura 1D ilustra um polímero electroactivo 160 incluindo uma superfície áspera 161 com uma textura aleatória. A superfície áspera 160 permite uma deflexão plana que não é direccionalmente flexível. De forma vantajosa, a deformação na topografia da superfície poderá permitir a deflexão de um eléctrodo rígido com menos resistência que o alongamento em massa ou compressão. É de salientar que a deflexão de um polímero pré-tensionado que apresente uma superfície texturada poderá englobar uma combinação de deformação de superfície e alongamento em massa do polímero.

As superfícies não-uniformes ou texturadas do polímero poderão igualmente permitir o uso de uma camada de barreira e/ou eléctrodos que dependem da deformação das superfícies 20 texturadas. Os eléctrodos poderão incluir metais que se dobram de acordo com a geometria da superfície do polimero. A camada de barreira poderá ser utilizada para bloquear a carga no caso de uma falha eléctrica local no material polimero pré-tensionado.

Os materiais adequados para serem utilizados como polimero pré-tensionado de acordo com a presente invenção poderão incluir qualquer polimero ou borracha substancialmente isolante que se deforme em resposta a uma força electroestática ou cuja deformação resulta numa alteração de campo eléctrico. Um material adequado é NuSil CF19-2186 tal como proporcionado por NuSil Technology of Carpenteria, CA. Outros materiais de exemplo adequados para serem utilizados como polimero pré-tensionado incluem qualquer polímero elastómero dieléctrico, borrachas de silicone, fluoroelastómeros, silicones, tais como Dow Corning HS3, fornecidos por Dow Corning of Wilmington, Delaware, etc. e polímeros acrílicos, tais como qualquer acrílico na série de acrílicos 4900 VHB, fornecido por 3M Corp. of St. Paul, MN.

Em muitos casos, os materiais utilizados na presente invenção são polímeros disponíveis no comércio. Os polímeros disponíveis no comércio poderão incluir, por exemplo, qualquer elastómero de silicone, poliuretano, copolímeros PVDF e elastómeros adesivos disponíveis no comércio. A utilização de materiais disponíveis no comércio proporciona alternativas económicas para transdutores e 21 dispositivos associados da presente invenção. A utilização de materiais disponíveis no comércio poderá simplificar o respectivo fabrico. Num exemplo, o polimero disponível no comércio é um elastómero acrilico disponível no comércio que engloba misturas de acrilato alifático que são fotocuradas durante o fabrico. A elasticidade do elastómero acrílico resulta de uma combinação entre os grupos alifáticos ramificados e da interligação das cadeias de polímeros acrílicos.

Os materiais utilizados como polímero pré-tensionado poderão ser seleccionados com base em uma ou várias propriedades de material, tal como uma elevada resistência a falhas eléctricas, um módulo reduzido de elasticidade, para grandes e pequenas deformações, uma constante dieléctrica elevada, etc. Na presente invenção, o polímero é seleccionado de modo a que apresente um módulo elástico de, no máximo, cerca de 100 MPa. Noutro exemplo, o polímero é seleccionado de forma a ter uma pressão de activação máxima entre cerca de 0,05 MPa e cerca de 10 MPa, preferencialmente entre cerca de 0,03 Mpa e cerca de 3 MPa. Ainda noutro exemplo, o polímero é seleccionado de forma a apresentar 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 electroact ivo é seleccionado com base em um ou vários requisitos de aplicação, tais como um grande intervalo de temperaturas e/ou de humidades, a possibilidade de repetições, precisão, baixo grau de deformação, fiabilidade e resistência. 22

As voltagens de activação apropriadas para polímeros pré-tensionados da presente invenção poderão variar com base no material de polímero electroactivo e nas respectivas propriedades (por exemplo, a constante dieléctrica), como também com base nas dimensões do polímero (por exemplo, a espessura entre eléctrodos). A título de exemplo, os campos eléctricos de activação para o polímero 102 na figura IA poderão encontrar-se na ordem dos 0 V/m aos 440 Megavolts/metro. As voltagens de activação nesta ordem poderão produzir uma pressão na ordem dos cerca de 0 Pa aos cerca de 10 MPa. Para obter um transdutor com capacidade para forças maiores, poderá ser aumentada a espessura do polímero. Em alternativa, poderão ser implementadas múltiplas camadas de polímero. As voltagens de activação para um polímero em particular poderão ser reduzidas aumentando a constante dieléctrica, reduzindo a espessura do polímero e reduzindo o módulo de elasticidade, por exemplo. casos,

Os polímeros pré-tensionados da presente invenção poderão abranger um grande leque de espessuras. Numa realização, a espessura de polímero poderá encontrar-se entre, aproximadamente, 1 micrómetro e 2 milímetros. Uma espessura típica antes do pré-tensionamento inclui 50 - 225 micrómetros para HS3, 25 - 75 micrómetros para NuSil CF 19-2186 e 100 - 1000 micrómetros para qualquer um dos polímeros acrílicos da série 3M VHB 4900. A espessura de polímero poderá ser reduzida mediante o alongamento da película numa ou ambas as direcções planas. Em muitos os polímeros pré-tensionados da presente invenção 23 poderão ser fabricados e implementados como películas finas. As espessuras adequadas para estas películas finas poderão situar-se abaixo de 50 micrómetros.

3. ACTUADORES A deflexão de um polímero pré-tensionado pode ser utilizada de forma variada para produzir energia mecânica. De um modo geral, os polímeros electroactivos poderão ser implementados com uma variedade de actuadores, incluindo actuadores convencionais equipados posteriormente com um polímero pré-tensionado e actuadores personalizados, especialmente concebidos para um ou mais polímeros pré-tensionados. Os actuadores convencionais incluem extensores, feixes de flexão, pilhas, diafragmas, etc. Vários exemplos de actuadores feitos por medida de acordo com a presente invenção serão agora discutidos, juntamente com exemplos de actuadores fora do âmbito da presente invenção. A figura 1E ilustra uma vista lateral em corte transversal de um actuador de diafragma 120, que inclui um polímero pré-tensionado 131, antes da activação, de acordo com um exemplo. O polímero pré-tensionado 131 encontra-se ligado a uma estrutura 132. A estrutura 132 inclui um orifício circular 133 que permite a deflexão do polímero 131 na perpendicular relativamente à área do orifício circular 133. O actuador de diafragma 130 inclui eléctrodos 24 circulares 134 e 136 em qualquer um dos lados do polímero 131 para facultar uma diferença de voltagem ao longo de uma parte do polímero 131.

Na configuração sem voltagem da figura ΙΕ, o polímero 131 é esticado e fixado na estrutura 132 mediante a aplicação de tensão para obter um pré-tensionamento. Aquando da aplicação de uma voltagem adequada aos eléctrodos 134 e 136, a película de polímero 131 expande-se para fora do plano da estrutura 132, tal como se encontra ilustrado na figura 1F. Os eléctrodos 134 e 136 são flexíveis e alteram o formato à medida que o polímero pré-tensionado 131 se deflecte. 0 actuador de diafragma 130 tem capacidade para se expandir em ambas as direcções opostas relativamente ao plano. Num exemplo, o lado inferior 141 do polímero 131 inclui uma pressão de inclinação que influencia a expansão da película de polímero 131 para activar continuadamente em sentido ascendente, na direcção das setas 143 (Figura 1F). Noutro exemplo, é aplicado um agente de dilatação, tal como uma quantidade reduzida de óleo de silicone, no lado inferior 141 para influenciar a expansão do polímero 131 na direcção das setas 143. O agente de dilatação causa uma ligeira deflexão contínua numa direcção, tal como é determinado durante o fabrico, por exemplo, aplicando uma ligeira pressão sobre o lado inferior 141 na altura da aplicação do agente de dilatação. O agente de dilatação permite que o diafragma actue de forma contínua numa 25 direcção pretendida sem a utilização de uma pressão de inclinação. 0 grau de expansão para o actuador de diafragma 13 0 irá variar com base numa série de factores, incluindo o material do polímero 131, a voltagem aplicada, o grau de pré-tensionamento, qualquer pressão de inclinação, flexionamento dos eléctrodos 134 e 136, etc. Num exemplo, o polímero 131 apresenta capacidade para deflectir até uma altura 137 de pelo menos 50 porcento do diâmetro total 139 e poderá adoptar um formato hemisférico em deflexões largas. Neste caso, um ângulo 147 formado entre o polímero 131 e a estrutura 132 poderá ser inferior a 90 graus.

Tal como o mencionado mais acima, a expansão numa direcção de um polímero electroactivo poderá induzir tensões contrácteis numa segunda direcção, tal como devido aos efeitos de Poisson. Tal poderá reduzir o rendimento mecânico de um transdutor que proporciona rendimento mecânico na segunda direcção. De modo correspondente, os actuadores poderão ser concebidos para forçar um polímero na direcção sem actividade. Em alguns casos, os actuadores poderão estar concebidos para melhorar o rendimento mecânico utilizando a deflexão na direcção sem actividade.

Um actuador que utiliza deflexão numa direcção plana para melhorar o rendimento mecânico na outra direcção plana é um actuador de arqueamento. As figuras 2A e 2B ilustram 26 um actuador de arqueamento 200 antes e depois da activação. O actuador de arqueamento 200 é um mecanismo plano que engloba uma estrutura flexível 202 que proporciona assistência mecânica para melhorar o rendimento mecânico relativamente a um polímero 206 ligado à estrutura 202. A estrutura 202 inclui seis elementos rígidos 204 interligados em juntas 205. Os elementos 204 e as juntas 205 proporcionam assistência mecânica ao associar a deflexão de polímero numa direcção plana 208 ao rendimento mecânico numa direcção plana perpendicular 210. Mais especificamente, a estrutura 202 está disposta de modo a que uma pequena deflexão do polímero 206 na direcção 208 melhore o deslocamento na direcção plana perpendicular 210. Ligados a superfícies opostas (superior e inferior) do polímero 206 encontram-se os eléctrodos 207 (o eléctrodo no lado inferior do polímero 206 não está representado) para facultar uma diferença de voltagem ao longo de uma parte do polímero 206. O polímero 206 está configurado com diferentes níveis de pré-tensionamento nas respectivas direcções ortogonais. Mais especificamente, o polímero electroactivo 206 apresenta um elevado pré-tensionamento na direcção plana 208 e pouco ou nenhum pré-tensionamento na direcção plana perpendicular 210. Este pré-tensionamento anisotrópico encontra-se disposto de acordo com a geometria da estrutura 202. Mais especificamente, aquando da activação dos eléctrodos 207 e 209, o polímero contrai na direcção de elevado pré-tensionamento 208. Com o movimento restrito da estrutura 202 e da alavanca facultado pelos elementos 204, 27 esta contracção ajuda a accionar a deflexão na direcção planar perpendicular 210. Desta forma, mesmo perante uma curta deflexão do polímero 206 na direcção de elevado pré-tensionamento 208, a estrutura arqueia-se para fora na direcção 210. Deste modo, uma pequena contracção na direcção de elevado pré-tensionamento 210 leva a uma maior expansão na direcção com um pré-tensionamento relativamente reduzido 208.

Utilizando o pré-tensionamento anisotrópico e a delimitação proporcionada pela estrutura 202, o actuador de arqueamento 200 permite uma contracção numa direcção para reforçar a deflexão mecânica e a conversão eléctrica em conversão mecânica em outra direcção. Noutras palavras, a carga 211 (figura 2B) associada ao actuador de arqueamento 200 encontra-se ligada à deflexão do polímero 206 em duas direcções, as direcções 208 e 210. Desta forma, como resultado do pré-tensionamento diferencial do polímero 206 e da geometria da estrutura 202, o actuador de arqueamento 200 tem capacidade para proporcionar um maior deslocamento mecânico do que o proporcionado somente por um polímero electroactivo para a entrada eléctrica comum. O actuador de arqueamento 200 poderá ser configurado com base no polímero 206. A título de exemplo, a geometria da estrutura 202 e as dimensões do polímero 206 poderão ser ajustadas com base no material do polímero 206. Num exemplo que utiliza silicone HS3 como polímero 206, este mesmo polímero 206, preferencialmente, apresenta um rácio de 9:2 28 nas direcções 208 e 210, com pré-tensionamentos à volta de 270 porcento e 25 porcento nas direcções 208 e 210, respectivamente. Ao utilizar esta disposição, são possíveis tensionamentos lineares de pelo menos cerca de 100 porcento na direcção 210. O pré-tensionamento no polímero 206 e a delimitação proporcionada pela estrutura 202 poderão também permitir que o actuador de arqueamento 200 utilize voltagens de activação mais reduzidas para o polímero pré-tensionado 206 para uma dada deflexão. Dado que o actuador de arqueamento 200 tem um módulo efectivo de elasticidade mais baixo na direcção de baixo pré-tensionamento 210, a delimitação mecânica proporcionada pela estrutura 202 permite que o actuador de arqueamento 200 actue na direcção 210 numa deflexão maior com voltagem mais baixa. Em adição, o elevado pré-tensionamento na direcção 208 aumenta a resistência à falha do polímero 206, permitindo ao actuador de arqueamento 200 voltagens mais altas e deflexões mais altas.

Tal como já foi mencionado relativamente à figura IA, quando um polímero se expande em resultado das forças electroestáticas, continua a expandir-se até que as forças mecânicas equilibrem a pressão electroestática que está a acionar a expansão. Quando a carga 211 está ligada ao actuador de arqueamento 200, os efeitos mecânicos proporcionados pela carga 211 irão influenciar o equilíbrio de forças e a deflexão do polímero 206. Por exemplo, se a 29 carga 211 resiste à expansão do actuador de arqueamento 200, o polímero 206 não irá expandir tanto como no caso de não haver qualquer carga.

Num exemplo, o actuador de arqueamento 200 poderá incluir componentes adicionais para providenciar assistência mecânica e reforçar o rendimento mecânico. A título de exemplo, as molas 220, tal como mostradas na figura 2C, poderão ser anexadas ao actuador de arqueamento 200 para reforçar a deflexão na direcção 210. As molas carregam o actuador de arqueamento 200 de tal modo que a força de mola exercida pelas molas se opõe à resistência proporcionada por qualquer carga externa. Nalguns casos, as molas 220 facultam um aumento da assistência à deflexão do actuador de arqueamento 200. Num exemplo, os elementos de mola poderão estar incorporados nas juntas 205 em vez de serem molas externas 220 para reforçar a deflexão do actuador de arqueamento 200. Adicionalmente, o pré-tensionamento poderá ser aumentado para melhorar a deflexão. A carga também poderá estar ligada aos elementos rígidos 205 no topo e no fundo da estrutura 202 em vez de estar ligada aos elementos rígidos no lado da estrutura 202 (tal como mostrado na figura 2B) . Dado que os elementos rígidos superiores e inferiores 204 se contraem um contra o outro aquando da aplicação de uma voltagem, tal como mostrado na figura 2B, o actuador de arqueamento 200, como dispositivo de exemplo, contrai-se no plano, aquando da aplicação de uma voltagem, em vez de se expandir. 30

Embora o actuador de arqueamento 200 das figuras 2A a 2C ilustre um exemplo especifico de um actuador personalizado que inclui uma estrutura flexível e um polímero electroactivo, qualquer geometria de estrutura ou assistência mecânica para melhorar o deslocamento de um polímero electroactivo é adequada para ser utilizada com estes exemplos. O formato e a delimitação do polímero poderão afectar a respectiva deflexão. É definido um rácio de aspecto para um polímero electroactivo como sendo o rácio do respectivo comprimento para com a respectiva largura. Se o rácio de aspecto for alto (por exemplo, um rácio de aspecto de pelo menos cerca de 4:1) e o polímero estiver delimitado ao longo do seu comprimento por elementos rígidos, esta combinação poderá resultar numa deflexão substancialmente unidimensional em direcção da largura.

As figuras 2D e 2E ilustram um actuador de movimento linear 230 antes e depois da activação. O actuador de movimento linear 230 é um mecanismo plano que faculta rendimento mecânico numa direcção. O actuador de movimento linear 230 engloba um polímero 231 que apresenta um comprimento 233 substancialmente maior que a respectiva largura 234 (por exemplo, um rácio de aspecto de pelo menos cerca 4:1). O polímero 231 encontra-se anexado, em lados opostos, a elementos rígidos 232 de uma estrutura, ao longo do respectivo comprimento 233. Os elementos rígidos 232 apresentam uma rigidez maior que o polímero 231. A 31 delimitação da margem geométrica facultada pelos elementos rígidos 232 impede, essencialmente, o deslocamento numa direcção 236 ao longo do comprimento 233 do polímero e facilita a deflexão quase exclusivamente numa direcção 235. Quando o actuador de movimento linear 230 é implementado com um polímero 231 que apresenta um tensionamento anisotrópico, ou seja um pré-tensionamento mais elevado na direcção 236 do que na direcção 235, o polímero 231 é mais rígido na direcção 236 do que na direcção 235, e daí poderão resultar maiores deflexões na direcção 235. A título de exemplo, este tipo de disposição poderá produzir tensionamentos lineares de pelo menos cerca de 200 porcento para os acrílicos que apresentem um pré-tensionamento anisotrópico.

Neste contexto

Uma série de polímeros electroactivos ou actuadores poderá ser interligada de forma mecânica para formar um actuador mais largo, obtendo, assim, um rendimento comum, por exemplo força e/ou deslocamento. Mediante a utilização de um polímero electroactivo pequeno como unidade de base numa série, a conversão de energia eléctrica em energia mecânica poderá ser escalonada de acordo com uma aplicação. A título de exemplo, múltiplos actuadores de movimento linear 230 poderão ser combinados em série na direcção 235, para formar um actuador que apresenta uma deflexão acumulativa de todos os actuadores de movimento linear na série. Aquando da transdução de energia eléctrica em energia mecânica, os polímeros electroactivos, interligados individual ou mecanicamente numa colecção, poderão ser referidos como "músculo artificial". 32 músculo artificial está definido como um ou mais transdutores e/ou actuadores que apresentam uma força única de actividade e/ou deslocamento único. 0 músculo artificial poderá ser implementado a nível micro ou macro e poderá englobar um ou vários de qualquer um dos actuadores aqui descritos. A figura 2F ilustra uma vista lateral em corte transversal de um actuador multicamada 240 como exemplo de músculo artificial. O actuador multicamada 240 inclui quatro polímeros pré-tensionados 241 dispostos em paralelo e cada um deles ligado a uma estrutura rígida 242 de modo a ter a mesma deflexão. Os eléctrodos 243 e 244 são depositados em superfícies opostas de cada polímero 241 e proporcionam uma activação electroestática simultânea aos quatro polímeros pré-tensionados 241. O actuador multicamada 240 proporciona um rendimento de força acumulativa das camadas individuais do polímero 241.

Noutro exemplo, poderão ser utilizadas múltiplas camadas de polímero electroactivo, em vez de um só polímero, para aumentar o rendimento de força ou pressão de um actuador. Por exemplo, dez polímeros electroactivos poderão ser colocados em camadas para aumentar o rendimento de pressão do actuador de diafragma da figura 1E. A figura 2G ilustra um actuador de diafragma multicamada empilhado 245, deste tipo, como outro exemplo de músculo artificial. O actuador multicamada empilhado 245 inclui três camadas de polímero 246 sobrepostas e que poderão ser ligadas por 33 camadas adesivas 247. No interior das camadas adesivas 247 encontram-se eléctrodos 248 e 249 que proporcionam activação às camadas de polimero 246. Uma placa relativamente rigida 250 encontra-se ligada à camada mais externa de polimero e está formada para apresentar orifícios 251 que permitem a deflexão do actuador de diafragma multicamada empilhado 245. Mediante a combinação das camadas de polímero 246, o actuador multicamada empilhado 245 proporciona um rendimento de força acumulativa das camadas individuais do polímero 246.

Em adição ao actuador de movimento linear 230 das figuras 2D e 2E, polímeros electroactivos poderão ser incluídos numa variedade de actuadores que proporcionam um deslocamento linear. A figura 2H ilustra um actuador linear 255 que engloba um diafragma de polímero electroactivo 256. Neste caso, um veio secundário 257 encontra-se ligado à parte central do diafragma 256 que deflecte num orifício 258 de uma estrutura 261. Aquando da activação e remoção de energia eléctrica, o veio secundário 257 move-se de acordo com o indicado pela seta 259. O actuador linear 255 poderá também incluir um elemento de mola 260 apropriado que ajuda posicionar o veio secundário 257.

Noutro exemplo, os polímeros pré-tensionados poderão ser enrolados ou dobrados em transdutores e actuadores lineares que se deflectem axialmente aquando da respectiva activação. Dado que o fabrico de polímeros electroactivos é, muitas vezes, muito mais simples com um número reduzido 34 de camadas, os actuadores enrolados facultam uma maneira eficiente de comprimir grandes camadas de polímero num formato compacto. Os transdutores e actuadores enrolados ou dobrados poderão incluir uma ou várias camadas de polímero enrolado ou dobrado para facultar várias camadas de polímero mutuamente adjacentes. Os actuadores enrolados ou dobrados são aplicáveis sempre que sejam utilizados actuadores lineares, tais como pernas e dedos robóticos, pinças de força elevada e actuadores lineares de utilização generalizada. A figura 21 ilustra um actuador do tipo larva de geometridae 262. 0 actuador do tipo larva de geometridae 262 inclui duas ou mais camadas de polímero pré-tensionado enroladas, com eléctrodos 263, que deflectem axialmente ao longo do respectivo eixo cilíndrico. 0 actuador do tipo larva de geometridae 262 também inclui grampos electroestáticos 264 e 265 para o ligar e desligar de uma superfície metálica 268. Os grampos electroestáticos 264 e 265 permitem que o curso total para o actuador do tipo larva de geometridae 262 seja aumentado em relação a um actuador sem grampos. Dado que a força de fixação por unidade de peso dos grampos 264 e 265 é elevada, as vantagens de força por unidade de peso dos polímeros pré-tensionados são preservadas através do actuador do tipo larva de geometridae 262. Os grampos electroestáticos 264 e 265 encontram-se ligados ao actuador do tipo larva de geometridae nas áreas de ligação 267. Um corpo 266 do actuador do tipo larva de geometridae inclui as áreas de ligação 267 e o polímero 263, e dispõe de um determinado 35 grau de liberdade ao longo da direcção axial do polímero enrolado 263, entre as áreas de ligação 267. Num exemplo, os grampos electroestáticos 264 e 265 incluem um adesivo isolador 269 que impede curto-circuitos entre os grampos electroestáticos condutores 264 e 265 e a superfície metálica 268. 0 actuador do tipo larva de geometridae 262 move-se em sentido ascendente num processo de seis passos. No primeiro passo, o actuador do tipo larva de geometridae 262 é imobilizado nas respectivas extremidades quando ambos os grampos electroestáticos 264 e 265 são activados e o polímero 263 se encontra relaxado. Um grampo electroestático é activado mediante a aplicação de uma diferença de voltagem entre o grampo e a superfície metálica 268. No segundo passo o grampo 265 é libertado. A libertação de um dos grampos 264 e 265 permite que a respectiva extremidade do actuador do tipo larva de geometridae 262 se mova livremente. No terceiro passo o polímero electroestático 263 é activado e estende o actuador do tipo larva de geometridae 262 em sentido ascendente. No quarto passo é activado o grampo 265 e o actuador do tipo larva de geometridae 262 fica imobilizado. No quinto passo o grampo 264 é libertado. No sexto passo é afrouxado o polímero 263 e o actuador do tipo larva de geometridae 262 contrai-se. Mediante a repetição cíclica de todos os passos, de um a seis, o actuador do tipo larva de geometridae 262 move-se em sentido ascendente. Trocando os grampos 264 e 265 no processo de seis passos acima 36 descrito, o actuador do tipo larva de geometridae 262 move-se na direcção inversa.

Embora o actuador do tipo larva de geometridae 262 tenha sido descrito em termos de uma activação que utiliza um polímero electroactivo único e dois grampos, será possível a implementação de actuadores do tipo larva de geometridae multissegmentos que utilizam múltiplos polímeros electroactivos. Os actuadores do tipo larva de geometridae multissegmentos permitem que um actuador do tipo larva de geometridae aumente em comprimento sem que fiquem mais espessos. Um actuador do tipo larva de geometridae bissegmento iria utilizar dois polímeros enrolados em vez de um, e três grampos em vez de dois. De um modo geral, um actuador do tipo larva de geometridae n-segmento engloba n actuadores entre n+1 grampos. A figura 2J ilustra um actuador de película esticada 270 para facultar uma deflexão linear. O actuador de película esticada 270 inclui uma estrutura rígida 271 que apresenta um orifício 271. Um polímero pré-tensionado 273 encontra-se ligado, sob tensão, à estrutura 271 e abrange o orifício 272. Uma barra rígida 274 é ligada ao centro do polímero 273 e proporciona um deslocamento externo que corresponde à deflexão do polímero 273. Pares de eléctrodos correspondentes 275 e 276 encontram-se nas superfícies superior e inferior do polímero 273, respectivamente, no lado esquerdo e no lado direito da barra rígida 274. Quando o par de eléctrodos 275 é actuado, uma parte do polímero 37 273 que se encontra nas imediações do par de eléctrodos superior e inferior 275, e entre estes, expande-se relativamente ao resto do polímero 273, e a tensão existente na parte restante do polímero 273 puxa a barra rígida 274 para que se mova para a direita. Pelo contrário, quando é activado o par de eléctrodos 276, uma segunda parte do polímero 273 afectada pelo par de eléctrodos 276 expande-se relativamente ao resto do polímero 273, permitindo à barra rígida 274 que se movimente para a esquerda. Uma activação alternada dos eléctrodos 275 e 276 faculta um curso total efectivamente maior 279 para a barra rígida 274. Uma variação deste actuador inclui a adição de um pré-tensionamento anisotrópico ao polímero, de modo a que o polímero apresente um elevado pré-tensionamento (e rigidez) na direcção perpendicular ao deslocamento da barra rígida. Outra variação é a de eliminar um dos pares de eléctrodos. No intuito de simplificar a concepção, esta variação reduz o curso 279 para o actuador de película esticada 270 . Neste caso, a parte do polímero que já não está a ser utilizada pelo eléctrodo removido responde agora de forma passiva, semelhante a uma mola restauradora. A figura 2K ilustra um actuador de feixe de flexão 280 de acordo com uma realização da presente invenção. O actuador de feixe de flexão 280 inclui um polímero 281, fixado numa das extremidades por um suporte rígido 282 e ligado a um material fino flexível 283, tal como poliimida ou mylar, por exemplo, utilizando uma camada adesiva. 0 material fino flexível 283 apresenta um módulo de elasticidade maior que o polímero 281. A diferença em 38 módulos de elasticidade para os lados superior e inferior 286 e 287 do actuador de feixe de flexão 280 fazem com que o actuador de feixe de flexão 280 se flicta aquando da activação. Os eléctrodos 284 e 285 encontram-se ligados aos lados opostos do polímero 281 para proporcionar energia eléctrica. O actuador de feixe de flexão 280 inclui uma extremidade livre 288 que apresenta um único grau de liberdade de flexão. A deflexão da extremidade livre 288 poderá ser medida pela diferença do ângulo entre a extremidade livre 288 e a extremidade fixa pelo suporte rígido 282. A figura 2L ilustra o actuador de feixe de flexão 280 com um ângulo de flexão de 90 graus. O ângulo máximo de flexão para o actuador de feixe de flexão 280 irá variar de acordo com uma série de factores incluindo o material do polímero, o comprimento do actuador, a rigidez de flexão dos eléctrodos 284 e 285 e do material fino flexível 283, etc. Para um actuador de feixe de flexão 280 que engloba o silicone Dow Corning HS3, eléctrodos de ouro e uma área activa de 3,5 mm em comprimento, será possível atingir ângulos de flexão de mais de 225 graus. Para o actuador de feixe de flexão 280, à medida que o comprimento da área activa aumenta, será possível atingir ângulos de flexão aumentados. Em correspondência, a extensão do comprimento activo do actuador de feixe de flexão até 5 mm permite um ângulo de flexão que se aproxima dos 360 graus. 39

Numa realização, um dos eléctrodos poderá funcionar como material fino flexível 283. Qualquer metal fino, tal como ouro, que apresenta uma reduzida rigidez de flexão e uma elevada rigidez tênsil, poderá ser apropriado para um eléctrodo que funciona como o material fino flexível 283. Noutra realização, uma camada de barreira encontra-se colocada entre um dos eléctrodos 284, 285 e o polímero 281 para minimizar o efeito de qualquer falha localizada no polímero. A falha poderá ser definida como o ponto no qual o polímero não consegue sustentar a voltagem aplicada. A camada de barreira é, tipicamente, mais fina que o polímero 281 e tem uma constante dieléctrica mais elevada que o polímero 281, de modo a que a queda de voltagem, principalmente, ocorre ao longo do polímero 281. Muitas vezes torna-se preferível que a camada de barreira tenha uma elevada resistência à falha dieléctrica. A figura 2M ilustra um actuador de feixe de flexão 290 de acordo com outra realização da presente invenção. O actuador de feixe de flexão 290 inclui os polímeros pré-tensionados superior e inferior 291 e 292, fixados numa extremidade por um suporte rígido 296. Cada um dos polímeros 291 e 292 poderá ser activado de forma independente. A activação independente é alcançada por um controlo eléctrico separado dos eléctrodos superior e inferior 293 e 294, ligados aos polímeros electroactivos superior e inferior 291 e 292, respectivamente. Um eléctrodo comum 295 situa-se entre os polímeros electroactivos superior e inferior 291 e 292 e está ligado a ambos. O eléctrodo comum 295 poderá apresentar uma 40 rigidez suficiente para manter o pré-tensionamento nas camadas de polímero 291 e 292, continuando a permitir extensão e flexão.

Activando o polímero electroactivo superior 291 mediante a utilização do par superior de eléctrodos 293 e 295 faz com que o actuador de feixe de flexão 290 se flicta em sentido descendente. Actuando o polímero electroactivo inferior 292 mediante a utilização do par inferior de eléctrodos 294 e 295 faz com que o actuador de feixe de flexão 290 se flicta em sentido ascendente. Desta forma, a utilização independente dos polímeros electroactivos superior e inferior 291 e 292 permite que o actuador de feixe de flexão 290 seja controlado ao longo de uma direcção radial 297. Quando ambos os polímeros, superior e inferior 291 e 292, são activados em simultâneo, apresentando, essencialmente, tamanho e material semelhante, o actuador de feixe de flexão 290 estende-se em comprimento ao longo da direcção linear 298. Ao combinar a capacidade de controlar o movimento na direcção radial 297 e na direcção linear 298, o actuador de feixe de flexão 290 torna-se um actuador de dois graus de liberdade. Em correspondência, a activação e o controlo independentes dos polímeros superior e inferior 291 e 292 permitem a uma extremidade livre 299 do actuador de feixe de flexão 290 executar movimentos complexos, tais como percursos circulares ou elípticos. 41

4. PERFORMANCE

Um transdutor de acordo com a presente invenção converte entre energia eléctrica e energia mecânica. A performance do transdutor poderá ser caracterizada em termos do próprio transdutor, da performance do transdutor num actuador ou da performance do transdutor numa aplicação especifica (por exemplo, uma série de transdutores implementados num motor). 0 pré-tensionamento de polímeros electroactivos de acordo com a presente invenção proporciona melhoramentos substanciais na performance do transdutor.

Caracterizar a performance de um transdutor pelo próprio refere-se, normalmente, às propriedades de material do polímero e dos eléctrodos. A performance de um polímero electroactivo poderá ser descrita independentemente do tamanho do polímero pelos parâmetros como, por exemplo, tensionamento, densidade de energia, pressão de activação, densidade da pressão de activação e eficiência. Deve ser considerado, que a caracterização da performance de polímeros pré-tensionados e dos respectivos transdutores descrita mais abaixo poderá variar para diferentes polímeros electroestáticos e eléctrodos.

Os polímeros pré-tensionados utilizados na presente invenção apresentam um módulo efectivo de, no máximo, 100 Mpa e, por exemplo, mais de cerca de 0,1 Mpa. A pressão de 42 activação é definida como a mudança na força no âmbito de um polímero pré-tensionado, por unidade de área de secção transversal, entre estados activados e não activados. Em alguns casos, os polímeros pré-tensionados da presente invenção poderão apresentar uma pressão de activação na ordem de cerca de 0 a cerca de 100 Mpa e, mais preferencialmente, na ordem de 0,1 a 10 Mpa. A densidade de energia elástica específica - definida como a energia de deformação de uma massa de unidade do material na transição entre os estados activado e não activado - poderá também ser utilizada para descrever um polímero electroactivo quando o peso é importante. Os polímeros pré-tensionados utilizados na presente invenção poderão apresentar uma densidade de energia elástica específica superior a 3 J/g. A performance de um polímero pré-tensionado poderá também ser descrita, independentemente do tamanho do polímero, pela eficiência. A eficiência electromecânica é definida como o rácio de energia da saída mecânica para com a energia de entrada eléctrica. Uma eficiência electromecânica superior a 80 porcento pode ser conseguida com alguns polímeros pré-tensionados da presente invenção. O tempo para que um polímero pré-tensionado aumente (ou diminua) para a respectiva pressão de activação máxima (ou mínima) é referido como sendo o respectivo tempo de resposta. Os polímeros pré-tensionados utilizados na presente invenção poderão englobar uma grande variedade de tempos de resposta. Em função do tamanho e da configuração do polímero, os tempos de resposta poderão variar entre cerca de 0,01 milissegundo a 1 segundo, por exemplo. Um 43 polímero pré-tensionado, estimulado a uma taxa elevada, poderá também ser caracterizado por uma frequência operacional. Num exemplo, as frequências operacionais máximas adequadas para serem utilizadas com a presente invenção poderá encontrar-se no intervalo de 100 Hz a 100 kHz. As frequências operacionais neste intervalo permitem que os polímeros pré-tensionados utilizados nesta invenção sejam utilizados em várias aplicações acústicas (por exemplo, altifalantes). Em alguns exemplos, os polímeros pré-tensionados da presente invenção poderão ser operados a uma frequência ressonante para melhorar o rendimento mecânico. A performance de um actuador poderá ser descrita por meio de um parâmetro de performance específico do actuador. A título de exemplo, a performance de um actuador de um determinado tamanho e peso poderá ser quantificada por parâmetros tais como curso ou deslocamento, força, tempo de resposta do actuador. A caracterização da performance de um transdutor numa aplicação está relacionada com a forma como o transdutor se encontra materializado numa aplicação específica (por exemplo, na robótica). A performance de um transdutor numa aplicação poderá ser descrita por meio de um parâmetro de performance específico da aplicação (por exemplo, força ou unidade por peso em aplicações robóticas). Os parâmetros específicos de aplicação incluem curso ou deslocamento, força, tempo de resposta do actuador, resposta de frequência, eficiência, etc. Estes parâmetros poderão depender de tamanho, massa e/ou da concepção do transdutor e da aplicação particular. 44

Deve ser considerado que as propriedades desejáveis em termos de material para um polímero electroactivo poderão variar de acordo com o actuador ou a aplicação. Para produzir uma elevada pressão de activação e um elevado tensionamento para uma aplicação, poderá ser implementado um polímero pré-tensionado com uma elevada resistência dieléctrica, uma elevada constante dieléctrica ou um baixo módulo de elasticidade. Em adição, um polímero poderá incluir uma resistência a altos volumes e baixo amortecimento mecânico para maximizar a eficiência de energia para uma aplicação.

5. ELECTRODOS

Tal como mencionado acima, os transdutores da presente invenção incluem, preferencialmente, um ou vários eléctrodos para activar um polímero electroactivo. De um modo geral, os eléctrodos apropriados para serem utilizados com a presente invenção poderão ser de qualquer formato e material desde que estejam aptos a fornecer ou receber uma voltagem adequada, quer constante ou variante ao longo do tempo, para um polímero electroactivo ou a partir deste. Num exemplo, os eléctrodos aderem à superfície do polímero. Os eléctrodos que aderem ao polímero são, preferencialmente, flexíveis e em conformidade com o formato variável do polímero. Os eléctrodos poderão ser apenas aplicados a uma parte de um polímero electroactivo e definem uma área activa de acordo com a respectiva geometria. 45

Os eléctrodos flexíveis têm capacidade de deflexão numa ou várias direcções. 0 tensionamento linear poderá ser utilizado para descrever a deflexão de um eléctrodo flexível numa destas direcções. De acordo com a utilização do termo aqui, o tensionamento linear de um eléctrodo flexível refere-se à deflexão por comprimento de unidade ao longo de uma linha de deflexão. São possíveis tensionamentos lineares máximos (tênseis ou compressíveis) de pelo menos cerca de 50 porcento para os eléctrodos flexíveis da presente invenção. Para alguns eléctrodos flexíveis, são comuns tensionamentos lineares máximos de pelo menos cerca de 100 porcento. Obviamente, um eléctrodo poderá deflectir com um tensionamento inferior ao máximo. Num exemplo, o eléctrodo flexível é um "eléctrodo estruturado" que engloba uma ou mais áreas de alta condutividade e uma ou mais áreas de baixa condutividade. A figura 3 ilustra uma vista de superfície superior de um eléctrodo estruturado 501 que proporciona um flexionamento unidireccional. O eléctrodo estruturado 501 inclui traços metálicos 502 formados em linhas paralelas através de uma camada de distribuição de carga 503, cobrindo ambos uma área activa do polímero (não mostrado). Os traços metálicos 502 e a camada de distribuição de carga 503 são aplicados a superfícies opostas do polímero. Desta forma, a secção transversal, de cima para baixo, do transdutor que inclui eléctrodos estruturados 501 em superfícies opostas é a seguinte: traços metálicos superiores, camada de distribuição de carga superior, polímero, camada de distribuição de carga inferior, traços 46 metálicos inferiores. Os traços metálicos 502 em cada superfície do polímero actuam como eléctrodos para o material de polímero electroactivo que se encontra entre eles. Noutro exemplo, o eléctrodo inferior poderá ser um eléctrodo uniforme, flexível. A camada de distribuição de carga 503 facilita a distribuição de carga entre os traços metálicos 502. Juntos, os traços metálicos 502 de alta condutividade conduzem a carga rapidamente pela área activa até à camada de distribuição de carga 503 de baixa condutividade, que distribui a carga uniformemente pela superfície do polímero entre os traços 502. A camada de distribuição de carga 503 é flexível. Como resultado, o eléctrodo estruturado 501 permite a deflexão numa direcção compatível 506, na perpendicular dos traços metálicos paralelos 502. A activação para todo o polímero poderá ser conseguida estendendo o comprimento dos traços metálicos paralelos 502 ao longo do comprimento do polímero e implementando um número adequado de traços 502 ao longo da largura do polímero. Num exemplo, os traços metálicos 502 encontram-se espaçados em intervalos na ordem dos 400 micrómetros e apresentam uma espessura de cerca de 20 a 100 nanómetros. A largura dos traços é, tipicamente, muito inferior ao espaçamento. Para aumentar a velocidade geral de resposta do eléctrodo estruturado 501, será possível reduzir a distância entre os traços metálicos 502. Os traços metálicos 502 poderão englobar ouro, prata, alumínio e muitos outros metais e materiais condutivos relativamente rígidos. Num exemplo, os traços metálicos em superfícies opostas de desalinhados para melhorar camada de polímero e impedir directo metal a metal. um polímero electroactivo encontram-se a distribuição de carga pela falhas eléctricas por contacto

Uma deflexão dos traços metálicos paralelos 502 ao longo dos respectivos eixos que seja superior às possibilidades elásticas do material dos traços metálicos poderá levar a danos nestes mesmos traços metálicos 502. Para impedir danos deste tipo, o polímero poderá ser delimitado por uma estrutura rígida que impeça a deflexão do polímero e dos traços metálicos 502 ao longo dos respectivos eixos. Os elementos rígidos 232 do actuador de movimento linear das figuras 2D e 2E são apropriados para tal. Noutro exemplo, os traços metálicos 502 na superfície do polímero 500 poderão ser ligeiramente ondulados. Estas ondulações facultam um flexionamento dos traços 502 ao longo dos respectivos eixos e possibilitam uma deflexão nesta direcção.

De um modo geral, a camada de distribuição de carga 503 apresenta uma condutividade maior que o polímero electroactivo, mas menor que os traços metálicos. Os requisitos de condutância não rigorosos para a camada de distribuição de carga 503 permitem a utilização de uma grande variedade de materiais. A título de exemplo, a camada de distribuição de carga poderá englobar fluoro-elastómero negro de carbono, com prata coloidal, uma emulsão de borracha em latex com base de água, com uma 48 pequena percentagem na adição de massa de iodeto de sódio, e um complexo de transferência de carga de poliuretano com tetratiafulvaleno/tetracianoquinodimetano (TIF/TCNQ). Estes materiais têm capacidade para formar camadas uniformes finas com uma cobertura uniforme e apresentar uma condutividade de superfície suficiente para conduzir a carga entre os traços metálicos 502 antes da ocorrência de perdas substanciais de carga para o envolvente. 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, a resistividade de superfície da camada de distribuição de carga 503 adequada para a presente invenção poderá encontrar-se no intervalo de 106 - 1011 ohms. Também deve ser considerado que em algumas realizações não é utilizada qualquer camada de distribuição de carga e os traços metálicos 502 encontram-se formados directamente no polímero. Neste caso, ar ou outra espécie química sobre a superfície do polímero poderá ser o suficiente para transportar a carga entre os traços. Este efeito poderá ser reforçado aumentando a condutividade de superfície por meio de tratamentos de superfície, tais como gravura de plasma ou implantação de iões.

Noutro exemplo, múltiplos eléctrodos metálicos encontram-se no mesmo lado de um polímero, estendendo-se pela largura do polímero. Os eléctrodos facultam um flexionamento na direcção perpendicular à largura. Dois eléctrodos metálicos adjacentes actuam como eléctrodos para o material polímero entre eles. Os múltiplos eléctrodos metálicos alternam-se desta forma e os eléctrodos 49 alternantes poderão encontrar-se em comunicação eléctrica para proporcionar uma activação síncrona do polímero. A figura 4 ilustra um polímero pré-tensionado 510 que suporta um eléctrodo estruturado que não é direccionalmente flexível. O eléctrodo estruturado inclui traços metálicos 512, formados directamente na superfície do polímero electroactivo 510, em linhas paralelas uniformemente espaçadas que formam um padrão em "zigue-zague". Dois traços metálicos 512 em superfícies opostas do polímero actuam como eléctrodos para o material polímero electroactivo 510 que se encontra entre eles. O padrão "zigue-zague" dos traços metálicos 512 permite a expansão e contracção do polímero e do eléctrodo estruturado em várias direcções 514 e 516. A utilização de uma série de traços metálicos de acordo com o que foi descrito relativamente às figuras 3 e 4 permite utilizar camadas de distribuição de carga que apresentam uma condutância mais baixa. Mais especificamente, à medida que o espaçamento entre os traços metálicos diminui, a condutância necessária do material entre os traços poderá igualmente diminuir. Desta forma, é possível utilizar materiais que, normalmente, não são considerados como sendo condutivos para as camadas de distribuição de carga. A título de exemplo, os polímeros que apresentam uma resistividade de superfície de IO10 ohms poderão ser utilizados como camada de distribuição de carga neste sentido. Num exemplo específico, foi utilizada 50 borracha como camada de distribuição de carga, como parte de um eléctrodo estruturado numa camada de polímero que apresenta uma espessura de 25 micrómetros e um espaçamento entre traços metálicos paralelos de cerca de 500 micrómetros. Em adição à redução da condutância necessária para uma camada de distribuição de carga, os traços metálicos com espaçamento muito próximo também aumentam a velocidade de activação, dado que a carga apenas precisa deslocar-se através da camada de distribuição de carga numa distância curta entre os traços metálicos que têm pouco espaço entre si.

Embora os eléctrodos estruturados a serem utilizados na presente invenção tenham sido descritos em termos de duas configurações específicas de traços metálicos, os eléctrodos estruturados poderão ser formados de qualquer forma adequada. Os peritos da técnica irão concluir que vários padrões de traços metálicos uniformemente distribuídos poderão proporcionar carga na superfície de um polímero enquanto facultam um flexionamento numa ou várias direcções. Em alguns casos, um eléctrodo estruturado poderá ser ligado à superfície de polímero de um modo não uniforme. Dado que a activação do polímero poderá ficar limitada a uma área activa numa proximidade adequada de um par de traços metálicos formados, poderão ser definidas áreas activas e não activas especializadas para um polímero electroactivo através da formação específica dos traços metálicos. Estas áreas activas e não activas poderão ser formadas para especificar as geometrias e as elevadas resoluções de acordo com as técnicas convencionais de 51 depósito de traços metálicos. Ao estender esta prática ao longo de toda a superfície de um polímero electroactivo, os padrões específicos de eléctrodos estruturados que englobam várias áreas activas de geometria específica poderão resultar numa activação especializada e não uniforme do polímero electroactivo de acordo com o padrão dos eléctrodos estruturados.

Embora os eléctrodos a serem utilizados no âmbito da presente invenção tenham sido discutidos primariamente em termos de eléctrodos planos, será possível a utilização de "eléctrodos texturados" que englobam dimensões variáveis fora do plano para facultar um eléctrodo adequado. A figura 5 ilustra exemplos de eléctrodos texturados 520 e 521. Os eléctrodos texturados 520 e 521 encontram-se ligados a superfícies opostas de um polímero electroactivo 522, levando a que a deflexão do polímero 522 resulte numa deflexão plana e não plana dos eléctrodos texturados 520 e 521. O flexionamento plano e não plano dos eléctrodos 520 e 521 é facultado por um padrão ondulado que, aquando de uma deflexão plana e/ou da espessura do polímero 522, proporciona um flexionamento direccional numa direcção 526. Para proporcionar um flexionamento substancialmente uniforme aos eléctrodos texturados 520 e 521, o padrão ondulado é implementado ao longo de toda a superfície do polímero electroactivo, na direcção 526. Num exemplo, os eléctrodos texturados 520 e 521 consistem em metal com uma espessura que permite uma dobragem sem estalar o metal, para proporcionar um flexionamento. Tipicamente, o eléctrodo texturado 520 é configurado de forma a que a 52 deflexão não plana dos eléctrodos 520 e 521 seja muito inferior à espessura do polímero 522, com o objectivo de facultar um campo eléctrico substancialmente constante ao polímero 522. Os eléctrodos texturados poderão proporcionar um f lexionamento em mais de uma direcção. Num exemplo específico, um eléctrodo de textura áspera faculta um flexionamento em direcções planas ortogonais. O eléctrodo de textura áspera poderá apresentar uma topografia semelhante à superfície áspera da figura 1D.

Num exemplo, os eléctrodos flexíveis da presente invenção englobam uma massa condutiva, tal como uma massa de carbono ou uma massa de prata. A massa condutiva fornece um flexionamento em várias direcções. Poderão ser adicionadas partículas para aumentar a condutividade do polímero. A título de exemplo, as partículas de carbono poderão ser combinadas com um ligante de polímero, tal como silicone, para produzir uma massa de carbono que apresenta baixa elasticidade mas alta condutividade. Outros materiais poderão ser misturados com a massa condutiva para alterar uma ou várias propriedades de material. As massas condutivas de acordo com a presente invenção são adequadas à deflexões de tensionamento de pelo menos cerca de 100 porcento.

Os eléctrodos flexíveis poderão também incluir suspensões coloidais. As suspensões coloidais contêm partículas de tamanho submicrómetro, tais como grafite, prata e ouro, num meio portador líquido. De uma forma 53 geral, qualquer suspensão coloidal que apresente uma carga suficiente de partículas condutivas poderá ser utilizada como eléctrodo. Num exemplo, uma massa condutiva que inclui partículas condutivas de tamanho coloidal é misturada com um silicone condutivo que, por sua vez, inclui partículas condutivas de tamanho coloidal num ligante de silicone, para produzir uma suspensão coloidal que endurece para formar um semi-sólido condutivo. Uma vantagem das suspensões coloidais é o facto de estas poderem ser formadas na superfície de um polímero através de difusão, aplicação por imersão e outras técnicas que permitem um revestimento fino e uniforme de um líquido. Para facilitar a adesão entre o polímero e um eléctrodo, é possível adicionar um ligante ao eléctrodo. A título de exemplo, uma borracha de látex ou um silicone com base de água poderão ser adicionados como ligante a uma suspensão coloidal que inclua grafite.

Noutro exemplo, os eléctrodos flexíveis são obtidos mediante a utilização de um material condutivo de elevado indice de aparência, tais como fibrilas e nanotubos de carbono. Estes materiais de carbono de elevado índice de aparência poderão formar elevadas condutividades de superfície em camadas finas. Os materiais de carbono de elevado índice de aparência poderão transmitir uma condutividade elevada à superfície do polímero, com uma espessura de eléctrodo bastante reduzida, devido à elevada interconectividade dos materiais de carbono de elevado índice de aparência. A título de exemplo, as espessuras para eléctrodos efectuados com formas de carbono comuns que 54 não apresentam um elevada índice de aparência poderão encontrar-se na ordem dos 5-50 micrómetros, enquanto que a espessura dos eléctrodos de fibrila ou nanotubo de carbono poderá ser inferior a 2 - 4 micrómetros. Nos polímeros acrílicos, e outros, são apropriadas as expansões de área bem superiores a 100 porcento, em várias direcções, com eléctrodos de fibrila e nanotubo de carbono.

Os materiais de carbono de elevado índice de aparência poderão incluir a utilização de um ligante de polímero para aumentar a adesão à camada de polímero electroactivo. De forma vantajosa, a utilização de ligantes de polímero permite que seja seleccionado um ligante específico com base na adesão a uma camada específica de polímero electroactivo e com base nas propriedades elásticas e mecânicas do polímero.

Num exemplo, os eléctrodos de carbono de elevado índice de aparência poderão ser fabricados com uma espessura suficientemente fina, de modo a que a opacidade dos eléctrodos possa variar de acordo com a deflexão do polímero. A título de exemplo, os eléctrodos poderão ser efectuados com uma espessura suficientemente fina, de forma a que o eléctrodo mude de opaco para semitransparente aquando de uma expansão plana. Esta capacidade de manipulação da opacidade do eléctrodo poderá permitir que os transdutores da presente invenção sejam aplicados em várias aplicações ópticas, tal como será descrito mais abaixo. 55

Noutro exemplo, poderão ser utilizadas misturas de materiais ionicamente condutivos para os eléctrodos flexíveis. Isto poderá incluir, por exemplo, materiais de polímero com base de água, tais como glicerol ou sal em gelatina, borrachas naturais enriguecidos com iodo e emulsões com base de água, às quais são adicionados sais orgânicos, tais como iodeto de potássio. Para polímeros electroactivos hidrofóbicos que poderão não aderir bem a um eléctrodo com base de água, será possível um pré-tratamento da superfície do polímero por gravura de plasma ou com um pó fino, tal como grafito ou negro de carbono, para aumentar a aderência.

Os materiais utilizados para os eléctrodos a serem utilizados na presente invenção poderá variar largamente. Os materiais apropriados utilizados num eléctrodo poderão incluir grafito, negro de carbono, suspensões coloidais, metais finos incluindo prata e ouro, géis e polímeros enchidos com prata e com carbono, polímeros iónica ou electronicamente condutivos. Num exemplo, um eléctrodo apropriado para a utilização no âmbito da presente invenção engloba 80 porcento de massa de carbono e 20 porcento de negro de carbono num ligante de borracha de silicone, tal como Stockwell RTV60-COM, produzido por Stockwell Rubber Co. Inc. of Philadelphia, PA. A massa de carbono é do tipo Circuit Works 7200, produzido por ChemTronics Inc. of Kennesaw, GA. A massa condutiva poderá também ser misturada com um elastómero, tal como o elastómero de silicone RTV 118, produzido por General Electric of Waterford, NY, para proporcionar uma massa condutiva do tipo gel. 56

Deve entender-se que determinados materiais de eléctrodos poderão funcionar bem com determinados polímeros e poderão não funcionar bem com outros. A título de exemplo, fibrilas de carbono funcionam bem com polímeros acrílicos elastómeros, mas não tão bem com polímeros de silicone. Para a maioria de transdutores, as propriedades desejáveis para o eléctrodo flexível poderão incluir qualquer um dos seguintes: baixo módulo de elasticidade, reduzido amortecimento mecânico, reduzida 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 lisas. Em alguns casos poderá ser desejável que o material de eléctrodo seja adequado a uma formação precisa durante o fabrico. A título de exemplo, o eléctrodo flexível poderá ser aplicado por difusão no polímero. Neste caso, seriam desejáveis propriedades de material que favoreçam a aplicação por difusão. Em alguns casos, um transdutor da presente invenção poderá implementar dois tipos diferentes de eléctrodo. A título de exemplo, um actuador de diafragma poderá ter um eléctrodo estruturado anexado à respectiva superfície superior e um material de carbono de elevado índice de aparência depositado no lado inferior.

Os propulsionadores electrónicos encontram-se ligados aos eléctrodos. A voltagem facultada para polímeros electroactivos irá depender das especificações de uma aplicação. Num exemplo, um transdutor da presente invenção é electricamente accionado através da modulação de uma 57 voltagem aplicada à volta de uma voltagem de polarização DC. A modulação à volta de uma voltagem de polarização permite uma sensibilidade e linearidade melhorada do transdutor relativamente à voltagem aplicada. A titulo de exemplo, um transdutor utilizado numa aplicação áudio poderá ser accionado por um sinal de até 200 a 1000 volts, pico a pico, por cima de uma voltagem de polarização entre os cerca de 750 a 2000 volts DC.

6. APLICAÇÕES

Dado que a presente invenção inclui transdutores que poderão ser implementados na micro e macroescala, e com uma grande variedade de concepções de actuador, a presente invenção é utilizada numa grande variedade de aplicações em que energia eléctrica é convertida em energia mecânica. Mais abaixo, são facultadas várias aplicações a titulo de exemplo para alguns dos actuadores descritos acima. De um modo geral, os actuadores da presente invenção poderão ser utilizados em qualquer aplicação que requer uma conversão de energia mecânica em energia eléctrica.

Como já foi mencionado anteriormente, os polímeros electroactivos, individual ou mecanicamente ligados em série, poderão ser referidos como músculo artificial. 0 próprio termo músculo artificial implica que estes actuadores são apropriados para a aplicação em robots biologicamente inspirados ou aplicações biomédicas, em que 58 é pretendida uma duplicação de músculo, seja mamífero ou outro. A título de exemplo, aplicações como membros artificiais, esqueletos e corações artificiais poderão beneficiar dos polímeros pré-tensionados. A escalabilidade de tamanho dos polímeros electroactivos e a capacidade de utilizar qualquer número de transdutores ou actuadores de polímero em série permitem que o músculo artificial seja utilizado num leque de aplicações maior que a respectiva contraparte biolóqica. Dado que os actuadores da presente invenção apresentam um leque de performance muito para além das respectivas contrapartes biológicas, a aplicação da presente invenção não é limitada a músculos artificiais com uma performance que corresponda a um músculo real e poderá, realmente, incluir aplicações que requeiram uma performance para além da de músculo real.

Num exemplo de músculo artificial, uma série de actuadores de movimento linear engloba duas ou mais camadas de polímero pré-tensionado em "sanduíche" e ligadas a duas placas rígidas em cantos opostos de cada polímero. Os eléctrodos são selados no centro, entre cada uma das camadas de polímero. Todos os actuadores de movimento linear na série poderão beneficiar de delimitações geométricas proporcionadas pelas placas rígidas e pelo pré-tensionamento anisotrópico para restringir a deformação do polímero na direcção activada. Uma vantagem da construção em camadas é o facto de ser possível empilhar em paralelo tantas camadas de polímero electroactivo quanto o necessário, no intuito de produzir a força pretendida. Mais ainda, o curso desta configuração de actuador de movimento 59 linear poderá ser aumentado através da adição em série de actuadores de movimento linear semelhantes.

No micro-dominio, a espessura dos polímeros pré-tensionados poderá variar de vários micrómetros a vários milímetros e, preferencialmente, de vários micrómetros a centenas de micrómetros. Micro-polímeros pré-tensionados são bastante apropriados para as aplicações, tais como jactos de tinta, válvulas actuadas, microbombas, actuadores do tipo larva de geometridae, espelhos indicadores, geradores de som, micro-lâmpadas e aplicações de micro-robótica. As aplicações de micro-robótica poderão incluir pernas de micro-robot, pinças, actuadores indicadores para câmaras CCD, alimentadores de fios para micro-soldagem e reparações, actuadores de fixação para manter posições rígidas e actuadores ultra-sónicos para a transmissão de dados ao longo de distâncias medidas. Noutra aplicação, um actuador de diafragma poderá ser implementado numa série de diafragmas de polímero electroactivo semelhantes, numa configuração plana numa superfície única. A título de exemplo, uma série poderá incluir sessenta e dois diafragmas com um diâmetro de 150 micrómetros cada, dispostos numa configuração plana. Num exemplo, a série de actuadores de diafragma poderá ser formada numa "bolacha" de silicone. As séries de actuadores de diafragma produzidas desta forma poderão incluir, por exemplo, de 5 a 10.000, ou mais, diafragmas cada, que apresentam um diâmetro na ordem de 60 a 150 micrómetros. A série poderá ser colocada em placas de grelha com orifícios espaçados de forma apropriada para cada diafragma. 60

No macro-domínio, cada um dos actuadores descritos acima poderá adequar-se bem ao seu próprio conjunto de aplicações. Por exemplo, o actuador do tipo larva de geometridae da figura 21 é adequado para a utilização com robots pequenos com capacidade para navegar por tubos com um diâmetro de menos de 2 cm. Outros actuadores são bastante adequados, por exemplo, para aplicações como robótica, solenoides, geradores de som, actuadores lineares, actuadores aeroespaciais e automação geral.

Noutro exemplo, um transdutor da presente invenção é utilizado como dispositivo de modulação óptica ou como comutador óptico. 0 transdutor inclui um eléctrodo cuja opacidade varia com a deflexão. Um polímero pré-tensionado transparente ou, substancialmente, translúcido encontra-se ligado ao eléctrodo de opacidade variável e a deflexão do polímero é utilizada para modular a opacidade do dispositivo. No caso de um comutador óptico, o transdutor de opacidade variável desliga uma fonte de luz que comunica com um sensor de luz. Desta forma, a deflexão do polímero transparente faz com que o eléctrodo de opacidade variável deflicta e afecte o sensor de luz. Num exemplo específico, o eléctrodo de opacidade variável apresenta fibrilas de carbono ou nanotubos de carbono que se tornam menos opacos à medida que a área do eléctrodo aumenta e a densidade fibrilar da área diminui. Noutro exemplo específico, um dispositivo de modulação óptica que engloba um polímero electroactivo e um eléctrodo de opacidade variável poderão ser concebidos para modular de uma forma exacta a quantidade de luz transmitida através do dispositivo. 61

Os actuadores de diafragma poderão ser utilizados como bombas, válvulas, etc. Num exemplo, um actuador de diafragma que apresenta um polimero pré-tensionado pode ser utilizado como bomba. A acção de bombeamento é criada através de uma activação repetida sobre o polimero. As bombas de polimero electroactivo poderão ser implementadas tanto em micro como em macro-escalas. A titulo de exemplo, o diafragma poderá ser utilizado como bomba, apresentando um diâmetro na ordem de cerca de 150 micrómetros até cerca de 2 centímetros. Estas bombas apresentam tensionamentos de polímero de mais de 100 porcento e poderão produzir pressões de 20 kPa e mais. A figura 6 ilustra um sistema de bombeamento em cascata, de duas fases, que inclui as bombas de diafragma 540 e 542. As bombas de diafragma 540 e 542 apresentam os polímeros pré-tensionados 544 e 546 que se encontram ligados às estruturas 545 e 547. Os polímeros 544 e 546 deflectem nos orifícios 548 e 550 nas estruturas 545 e 547, respectivamente, numa direcção perpendicular ao plano dos orifícios 548 e 550. As estruturas 545 e 547, juntamente com os polímeros 544 e 546, definem as cavidades 551 e 552. A bomba 540 inclui um pistão 553 com uma mola 560 para inclinar o diafragma 544 no sentido da cavidade 551.

Uma válvula unidireccional 555 permite a introdução de um fluido ou gás na cavidade 551. Uma válvula unidireccional 556 permite retirar o fluido ou gás da cavidade 551 para a cavidade 552. Adicionalmente, uma 62 válvula unidireccional 558 permite a saída do fluido ou gás da cavidade 552. Aquando da activação dos polímeros 544 e 546, os polímeros deflectem alternadamente para alterar a pressão no interior das cavidades 551 e 552, respectivamente, movimentando, desta forma, o fluido ou gás da válvula unidireccional 555 para a cavidade 551, para que saia da válvula 556 para o interior da cavidade 552, e para que saia pela válvula 558.

No sistema de bombeamento de duas fases, em cascata, da figura 6, a bomba de diafragma 542 não apresenta qualquer polarização dado que a saída pressurizada da bomba de diafragma 540 polariza a bomba 542. Num exemplo, apenas a primeira bomba numa série de bombas de diafragma em cascata utiliza uma pressão de polarização, ou qualquer outro mecanismo de auto-aplicação. Em alguns exemplos, as bombas de diafragma proporcionadas em série poderão apresentar voltagens facultadas por temporização electrónica para aumentar a respectiva eficiência de bombeamento. No exemplo mostrado na figura 6, os polímeros 544 e 546 são activados em simultâneo para obter a melhor performance. Para outros exemplos que poderão envolver mais bombas de diafragma na cascata, a temporização electrónica dos diferentes actuadores é, idealmente, definida de modo a que uma bomba se contrai no volume de cavidade, enquanto que a bomba seguinte na série (tal como determinado pelas válvulas unidireccionais) se expande. Num exemplo, a bomba de diafragma 540 fornece gás a uma taxa de 40 ml/min e a uma pressão de cerca de 1 kPa, enquanto que a bomba de 63 diafragma 542 fornece gás, substancialmente, à mesma taxa de fluxo, mas aumenta a pressão para 2,5 kPa.

Os actuadores de feixe de flexão, tais como os que foram descritos relativamente às figuras 2K a 2M, poderão ser utilizados numa variedade de dispositivos comerciais e aeroespaciais e aplicações como ventiladores, interruptores eléctricos e relés, assim como scanners de luz, nos níveis micro e macro. Para os actuadores de feixe de flexão utilizados como scanners de luz, será possível ligar uma superfície reflectora, tal como mylar aluminado, à extremidade livre de um actuador de feixe de flexão. Mais especificamente, a luz é reflectida quando o feixe de flexão é activado e a luz passa quando o feixe de flexão se encontra em repouso. 0 reflector poderá, então, ser utilizado para reflectir a luz que embate nele e formar um feixe explorado para, por sua vez, formar um arco ou uma linha de acordo com a deflexão do actuador. As séries de actuadores de feixes de flexão poderão também ser utilizadas para visualizadores de painel plano, para controlar o fluxo de ar sobre uma superfície, para altifalantes em caixa rebaixada e supressores de vibração, como "peles inteligentes" para controlar a transferência de calor e/ou a absorção de luz numa superfície, e poderão activar como cílio, de uma forma coordenada, para a manipulação de objectos.

Os polímeros e as películas de polímero que se encontram enrolados num actuador de cilindro multicamada ou 64 tubular poderão ser implementados como pistão que se expande axialmente aquando da respectiva activação. Um actuador deste tipo é análogo a um pistão pneumático ou hidráulico, e poderá ser implementado em qualquer dispositivo ou aplicação que utiliza estas formas tradicionais de deflexão linear.

Um actuador de polímero electroactivo, para uma variedade de aplicações, incluindo geradores de som e altifalantes acústicos, impressoras a jacto de tinta, interruptores de sistemas micro-electromecânicos (MEMS) rápidos etc., também poderá operar a altas velocidades. Num exemplo específico, um diafragma de polímero electroactivo é utilizado como scanner de luz. Mais especificamente é possível colocar um espelho numa flexão que empurra para baixo um diafragma de polímero electroactivo de 5mm de diâmetro, para proporcionar uma flexão espelhada. É possível obter uma boa exploração de imagens, num ângulo de exploração de cerca de 10 a 30 graus, com voltagens na ordem dos 190 a 300 volts e frequências na ordem dos 30 a 300 Hz. É possível acomodar ângulos de exploração muito superiores, até 90 graus por exemplo, utilizando voltagens na ordem dos 400 a 500 V. Em adição, as frequências mais elevadas poderão ser utilizadas com uma flexão espelhada mais 65

7. FABRICO

Dado que os polímeros pré-tensionados podem ser implementados tanto em microescala como em macroescala, numa grande variedade de concepções de actuador, com um grande leque de materiais e numa grande variedade de aplicações, os processos de fabrico utilizados no âmbito da presente invenção poderão variar significativamente. A seguir serão descritos os métodos adequados para o fabrico de dispositivos electromecânicos, incluindo um ou mais polímeros pré-tensionados. A figura 7A ilustra um fluxo de processo 600 para o fabrico de um dispositivo electromecânico, que poderá ser um actuador da presente invenção, apresentando, pelo menos, uma camada de polímero electroactivo. Os processos poderão incluir vários outros passos adicionais que não se encontram descritos ou ilustrados aqui para que a presente invenção não se torne confusa. Em alguns casos, os processos de fabrico poderão incluir materiais e técnicas convencionais, tais como polímeros disponíveis no comércio e técnicas utilizadas no fabrico nas tecnologias de electrónica e microelectrónica. Por exemplo, os actuadores de micro-diafragma poderão ser produzidos in situ em silicone, utilizando as técnicas convencionais para formar os orifícios e aplicar o polímero e os eléctrodos. 66 0 fluxo de processo 600 começa por receber ou fabricar um polímero (602). O polímero poderá ser recebido ou fabricado de acordo com vários métodos. Num exemplo, o polímero é um produto disponível no comércio, tal como uma película de elastómero acrílico disponível no comércio. Noutro exemplo, o polímero é produzido minimizando as variações na espessura ou quaisquer outros defeitos que poderão comprometer o campo eléctrico maximizado que pode ser aplicado ao longo do polímero e, desta forma, comprometer a respectiva performance. O revestimento por rotação envolve, tipicamente, a aplicação de uma mistura de polímero num substrato rígido e a subsequente rotação até obter a espessura pretendida. A mistura de polímero poderá incluir o polímero, um endurecedor e um dispersante ou solvente volátil. É possível alterar a quantidade de dispersante, a volatilidade do dispersante e a velocidade de rotação para produzir o polímero desejado. A título de exemplo, películas de poliuretano poderão ser revestidas, por rotação, por uma solução de poliuretano e tetrahidrofurano (THF) ou ciclohexano. No caso de substratos de silicone, o polímero poderá ser revestido por rotação num plástico aluminado ou num carboneto de silício. 0 alumínio e o carboneto de silício formam uma camada sacrificial que, posteriormente, é removida por um decapante apropriado. As películas na ordem de um micrómetro de espessura poderão ter sido produzidas desta maneira por revestimento por rotação. 0 revestimento por rotação de películas de polímero, tais como silicone, poderá der efectuado num 67 substrato de plástico liso e não adesivo, tal como metacrilato de polimetilo ou teflon. A película de polímero poderá, então, ser libertada por exfoliação mecânica ou com a ajuda de álcool ou qualquer outro agente de libertação apropriado. 0 revestimento por rotação é também adequado para produzir polímeros mais espessos na ordem dos 10 a 750 micrómetros. Em alguns casos, a mistura de polímero poderá ser centrifugada antes do revestimento por rotação para remover materiais indesejados como enchimentos, partículas, impurezas e pigmentos utilizados em polímeros comerciais. Para aumentar a eficácia da centrifugação ou para melhorar a consistência da espessura, um polímero poderá ser diluído num solvente para baixar a viscosidade, por exemplo, silicone que poderá ser dissolvido em nafta.

Em seguida, o polímero poderá ser pré-tensionado numa ou em várias direcções (604) . Num exemplo, o pré-tensionamento é obtido por um alongamento mecânico do polímero numa ou em várias direcções, e pela respectiva fixação a um ou vários elementos sólidos (por exemplo, placas rígidas) durante o tensionamento. Outra técnica para manter um pré-tensionamento inclui a utilização de um ou mais reforços. Os reforços são estruturas rígidas longas colocadas sobre o polímero enquanto este se encontra num estado de pré-tensionamento, por exemplo, enquanto é alongado. Os reforços mantêm o pré-tensionamento ao longo do respectivo eixo. Os reforços poderão ser dispostos em paralelo ou noutras configurações para obter um flexionamento direccional do transdutor. Deverá ser considerado que a rigidez aumentada ao longo do eixo do 68 reforço engloba a rigidez aumentada devido ao material do reforço como também a rigidez aumentada do polímero na direcção do pré-tensionamento.

As superfícies no polímero pré-tensionado poderão ser texturadas. Num exemplo, para proporcionar textura, um polímero é esticado para além da respectiva capacidade de alongamento durante a actuação, e uma fina camada de material rígido é depositada sobre a superfície alongada do polímero. Por exemplo, o material rígido poderá ser um polímero que é endurecido enquanto o polímero electroactivo é alongado. Após o endurecimento, o polímero electroactivo é relaxado e a estrutura dobra-se para proporcionar a superfície texturada. A espessura do material rígido poderá ser alterado para facultar textura em qualquer escala, incluindo níveis de submicrómetro. Noutro exemplo, as superfícies texturadas são produzidas pela gravura iónica reactiva (RIE - Reactive Ion Etching). A título de exemplo, a gravura iónica reactiva poderá ser realizada num polímero pré-tensionado que engloba silicone com um gás de gravura iónica reactiva com 90 porcento de tetrafluoreto de carbono e 10 porcento de oxigénio, para formar uma superfície com cavas e picos com uma profundidade de 4 a 5 micrómetros.

Um ou mais eléctrodos são, então, formados no polímero (606). No caso do polímero de silicone alterado pela gravura iónica reactiva mencionada mais acima, poderá ser colocada, por pulverização, uma camada fina de ouro na superfície texturada por gravura iónica reactiva, para 69 facultar um eléctrodo texturado. Noutro exemplo, um ou vários eléctrodos de grafito poderão ser formados e colocados mediante a utilização de um stencil. Os eléctrodos que englobam massas condutivas misturadas com silicone condutivo poderão ser fabricados mediante a dissolução da massa condutiva e do silicone condutivo não endurecido num dissolvente. A solução poderá, então, ser pulverizada por cima do material de polímero electroactivo e poderá apresentar uma máscara ou um stencil para obter um padrão em particular.

Os traços metálicos dos eléctrodos estruturados das figuras 3 e 4 poderão ser formados fotolitograficamente por cima do polímero ou camada de distribuição de carga. A título de exemplo, uma camada de ouro é colocada por meio de pulverização antes de ser colocado um revestimento fotoresistente por cima do ouro. 0 revestimento fotoresistente e o ouro poderão ser formados de acordo com técnicas fotolitográficas convencionais, por exemplo, a utilização de uma máscara seguida por uma ou várias lavagens para remover o revestimento fotoresistente. A adição de uma camada de distribuição de carga entre o polímero e os traços metálicos poderá ser efectuada, por exemplo, através de revestimento por rotação.

Num exemplo específico, é formado um eléctrodo estruturado num polímero, mediante a pulverização de ouro durante cerca de 2 a 3 minutos (em função da espessura desejada) a aproximadamente 15 nm (150 angstroms) por 70 minuto. O revestimento fotoresistente HPR 506 fornecido por Arch Chemicals, de Norwalk, Connecticut, é, então, aplicado sobre o ouro mediante revestimento por rotação a cerca de 500 a 1500 rpm durante aproximadamente 20 a 30 segundos e é depois cozido a cerca de 90 graus Celsius. Em seguida, é aplicada uma máscara antes de expor o revestimento fotoresistente à luz UV e revelação mediante a remoção das partes não mascaradas do revestimento fotoresistente. O ouro é, então, decapado e a película é lavada. O restante revestimento fotoresistente é removido mediante exposição à luz UV, revelação e lavagem. Os traços de ouro poderão, então, ser alongados para melhorar a respectiva tolerância ao tensionamento.

Também é possível formar fotolitograficamente os eléctrodos com textura. Neste caso, é aplicado um revestimento fotoresistente num polímero pré-tensionado e é formado mediante utilização de uma máscara. A gravação por plasma poderá remover as partes do polímero electroactivo não protegidas pela máscara num padrão pretendido. A máscara poderá, subsequentemente, ser removida através de uma gravação molhada adeguada. As superfícies activas do polímero poderão, então, ser cobertas por uma camada fina de ouro colocada, por exemplo, por pulverização. O transdutor, englobando uma ou várias camadas de polímero e eléctrodos, é, então, acondicionado de acordo com uma aplicação (608). O acondicionamento poderá também incluir o conjunto de vários transdutores que se encontram 71 mecanicamente ligados ou empilhados em múltiplas camadas. Em adição, de acordo com uma aplicação, é possível o estabelecimento de ligações mecânicas e eléctricas aos transdutores.

Existem também métodos alternativos para o fabrico de dispositivos electromecânicos, incluindo múltiplas camadas de polímero pré-tensionado. Num exemplo, o processo para o fabrico de dispositivos electromecânicos começa pela obtenção ou pelo fabrico de uma camada de polímero. 0 polímero é, então, alongado até alcançar o pré-tensionamento desejado e é ligado a uma primeira estrutura rígida. A seguir, os eléctrodos são depositados em ambos os lados do polímero, de modo a definir áreas activas e estabelecer ligações eléctricas. Os eléctrodos poderão ser formados por uma série de técnicas bem conhecidas, tais como revestimento por difusão através de uma máscara. Caso tal seja pretendido, uma segunda camada de polímero é, então, alongada sobre uma segunda estrutura. Depois, são colocados eléctrodos nesta segunda camada de polímero. A segunda camada de polímero é, depois, ligada à primeira camada, empilhando as respectivas estruturas. Para interligar as duas camadas e os eléctrodos, caso seja necessário, poderão ser utilizadas camadas de adesivos flexíveis adequados. 0 tamanho das estruturas é seleccionado de modo a não interferir com as camadas de polímero entrando em contacto íntimo. Caso ocorra uma interferência, poderá ser desejável remover a segunda estrutura, por exemplo, cortando a camada de polímero à volta da periferia da primeira estrutura. Caso seja 72 pretendido, uma terceira camada de polímero com eléctrodos poderá ser adicionada de uma forma semelhante à forma como a segunda camada foi adicionada à primeira. Este procedimento poderá prosseguir até que seja obtido o número pretendido de camadas.

As estruturas rígidas, elementos rígidos ou outros conectores eléctricos ou mecânicos são, então, ligados às camadas de polímero, por exemplo, por colagem. Caso tal seja o pretendido, o polímero poderá, então, ser removido da primeira estrutura. Em alguns casos, a primeira estrutura poderá servir como parte estrutural do actual ou actuais actuadores. Por exemplo, a primeira estrutura poderá ser uma série de orifícios para produzir um conjunto de actuadores de diafragma.

As figuras 7B a F ilustram um segundo processo para o fabrico de um dispositivo electromecânico 640 que apresenta múltiplas camadas de polímero electroactivo. Os processos poderão incluir várias etapas adicionais que não se encontram descritas ou ilustradas aqui, para não tornar confusa a presente invenção. O processo começa pela produção de um polímero pré-tensionado 622 num substrato rígido adequado 624, por exemplo, através do revestimento por rotação de um polímero, num disco de polimetil-metacrilato (PMMA), alongando o polímero (figura 7B) e, em seguida, ligando-o a um substrato rígido 624. Depois de o polímero 622 estar endurecido, os eléctrodos 625 são formados no lado exposto 626 do polímero 622. Um elemento 73 sólido, tal como uma película flexível, incluindo uma película de poliimida, mylar ou acetato, é então colada no polímero electroactivo 622 (figura 7C) com um adesivo apropriado 628. 0 substrato rígido 624 é, então, libertado, do polímero electroactivo 622 (figura 7D). Um agente de libertação, tal como álcool isopropílico, poderá ser utilizado para facilitar a libertação. Os eléctrodos 629 são, depois, formados no lado anteriormente não exposto do polímero 622. 0 conjunto é, então, ligado a outra camada de polímero electroactivo 630 que, por sua vez, se encontra ligado a um substrato rígido 631 (figura 7E). As camadas de polímero 622 e 630 poderão ser ligadas por uma camada adesiva 632 que engloba silicone GE RTV 118, por exemplo. O substrato rígido 631 é, então, libertado do polímero 630 e os eléctrodos 633 são formados no lado disponível 634 do polímero 630. Caso sejam pretendidas camadas de polímero adicionais, as etapas de adicionar uma camada de polímero, remover o substrato rígido e adicionar os eléctrodos poderão ser repetidas para produzir tantas camadas de polímero quanto as pretendidas. A camada de polímero 635 foi adicionada desta forma. Para facilitar a comunicação eléctrica aos eléctrodos nas camadas interiores do dispositivo 640, um pino metálico poderá ser introduzido através da estrutura para entrar em contacto com os eléctrodos de cada camada. 74 0 elemento sólido 627 poderá, então, ser formado ou removido de acordo com o necessário para proporcionar a estrutura ou as ligações mecânicas necessárias para o tipo especifico de actuador. Num exemplo, os actuadores de diafragma poderão ser formados pelo elemento sólido 627 de formação para formar orifícios 636 que, por sua vez, facultam áreas activas ao dispositivo electromecânico 640, utilizando uma máscara ou técnica de gravação apropriada (figura 7F) . Noutro exemplo, caso a área activa não seja muito grande e os eléctrodos possam ser adicionados às áreas activas dos polímeros sem danos, o elemento sólido 627 poderá ser formado com os orifícios 636 antes da respectiva ligação ao polímero 622.

Para o processo das figuras 7B a F, o substrato rígido 624 é, tipicamente, libertado do polímero electroactivo 622 mediante uma exfoliação do polímero electroactivo flexível. A exfoliação é apropriada para o fabrico de dispositivos que englobam polímeros electroactivos com um perfil substancialmente plano. Noutro exemplo, poderão ser utilizadas camadas sacrificais entre o polímero ou os eléctrodos e o substrato rígido para facilitar o desligamento. As camadas sacrificais permitem que o polímero, os eléctrodos e o conjunto ligado possam ser libertados de um substrato rígido através da decapagem da camada sacrifical. Por exemplo, os metais que englobam alumínio e prata são adequados para a utilização como camadas sacrificais. A utilização de metais permite que as camadas sacrificiais sejam decapadas por meio de líquidos que não afectam as camadas de polímero. Camadas sacrificais 75 metálicas poderão também facilmente ser formadas através de várias técnicas de mascaramento, para facultar estruturas, conectores para outros componentes estruturais para o dispositivo electromecânico 640. As camadas sacrificais também poderão ser utilizadas para o fabrico de dispositivos que englobam transdutores com perfis não planos, por exemplo, utilizando substratos rigidos com o formato de tubos. Para os transdutores geometricamente complexos, as camadas sacrificais poderão ser utilizadas em combinação com o revestimento por imersão para proporcionar a geometria complexa.

Embora o fabrico de polímeros pré-tensionados tenha sido descrito de forma resumida relativamente a alguns exemplos específicos, os processos e técnicas de fabrico poderão variar em função de qualquer um dos actuadores ou aplicações acima descritos. Por exemplo, o processo de fabrico de um actuador de diafragma poderá incluir o revestimento por rotação de um polímero num substrato, antes de ser fabricado um eléctrodo estruturado por cima do polímero. O polímero é, então, alongado e estruturas rígidas que apresentam um ou vários orifícios, concebidos para a área activa de cada actuador de diafragma, são fixadas ao polímero pré-tensionado, incluindo quaisquer partes sobrepostas do eléctrodo estruturado. Noutro exemplo, são gravados orifícios no substrato em vez de utilizar uma estrutura rígida separada, por exemplo, quando se trata de um substrato de silicone. O substrato é, posteriormente, desligado do polímero e é anexado um eléctrodo ao lado inferior do polímero. 76

8. CONCLUSÃO

Apesar de esta invenção ter sido descrita em relação a várias realizações preferenciais, existem alterações, permutações e equivalentes que se enquadram no escopo desta invenção, mas que foram omitidas em prol da brevidade. A titulo de exemplo, embora a presente invenção tenha sido descrita em relação a vários eléctrodos de diferentes materiais, a presente invenção não se encontra limitada a estes materiais e poderá, em alguns casos, incluir ar como eléctrodo. 77

REFERENCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo requerente é apenas para a conveniência do leitor. A mesma não faz parte do documento de Patente Europeia. Embora tenha sido tomado muito cuidado na compilação das referências, não se poderão excluir erros e omissões e o EPO nega qualquer responsabilidade neste sentido.

Documentos de Patente citados na descrição • US 4342936 A [0007] · US 5356500 A [0007] • EP 0475564 AI [0007]

Literatura não relacionada com patente 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 [0007] • ROY KORNBLUH et al. Electrostrictive Polymer Artificial Muscle Actuators. Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics & Automation,

Leuven, Belgium, Maio 1998, 2147-2154 [0007]

Claims

1 Reivindicações 1. Um actuador para converter energia eléctrica em energia mecânica, em que o actuador engloba: um elemento flexível com uma extremidade fixa e uma extremidade livre, englobando o elemento flexível pelo menos dois eléctrodos, e um polímero pré-tensionado com um módulo elástico de, no máximo, cerca de 100 MPa, disposto de uma forma que faz com que uma parte do polímero deflicta em resposta a uma alteração no campo eléctrico provocada pelos, no mínimo, dois eléctrodos.

2. O actuador de acordo com a reivindicação 1, em que a extremidade livre apresenta dois graus de liberdade.

3. O actuador de acordo com a reivindicação 1, em que o elemento flexível apresenta uma rigidez maior que o polímero.

4. O actuador de acordo com a reivindicação 1, em que o polímero engloba um dos seguintes: um elastómero de silicone, poliuretano, copolímero PVDF ou elastómero adesivo.

5. O actuador de acordo com a reivindicação 1, em que o polímero engloba uma borracha de silicone ou um acrílico. 2 6. 0 actuador de acordo com a reivindicação 1, em que o polímero se encontra enrolado. 7. 0 actuador de acordo com a reivindicação 1, em que o polímero engloba uma superfície texturada. 8. 0 actuador de acordo com a reivindicação 1, em que pelo menos um eléctrodo engloba uma superfície formada. 9. 0 actuador de acordo com a reivindicação 1, em que os pelo menos dois eléctrodos englobam uma superfície texturada.