RU2577923C2 - Method for producing mechanical energy by electroactive polymer - Google Patents

Method for producing mechanical energy by electroactive polymer Download PDF

Info

Publication number
RU2577923C2
RU2577923C2 RU2014119098/06A RU2014119098A RU2577923C2 RU 2577923 C2 RU2577923 C2 RU 2577923C2 RU 2014119098/06 A RU2014119098/06 A RU 2014119098/06A RU 2014119098 A RU2014119098 A RU 2014119098A RU 2577923 C2 RU2577923 C2 RU 2577923C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fibers
polymer
mechanical energy
electroactive
electricity
Prior art date
Application number
RU2014119098/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014119098A (en
Inventor
Игорь Трофимович Пронькинов
Original Assignee
Игорь Трофимович Пронькинов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Игорь Трофимович Пронькинов filed Critical Игорь Трофимович Пронькинов
Priority to RU2014119098/06A priority Critical patent/RU2577923C2/en
Publication of RU2014119098A publication Critical patent/RU2014119098A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2577923C2 publication Critical patent/RU2577923C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

FIELD: robotics.
SUBSTANCE: invention can be used in robotics, biomechanical prostheses and various types of drives. Method of producing mechanical energy by means of electroactive polymers is the use of polymers in the form of fibers (1), which under the influence of electricity are beginning to curl into a spiral. After switching off the electrical voltage polymer fibers are straightened. Fibers (1) combined in bundles and located in protective flexible sheath (3).
EFFECT: invention aims to increase the degree of strain of the electroactive polymer, extension of their application, simplifying the process, reducing the weight and dimensions of the apparatus used in the method.
1 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области получения механической энергии и может быть применено как силовой элемент в робототехнике, биомеханических протезах и в различного рода приводах.The present invention relates to the field of obtaining mechanical energy and can be used as a power element in robotics, biomechanical prostheses and various drives.

Известен способ получения механической энергии при помощи полимерных волокон, сворачивающихся в спираль при их нагревании. A known method of producing mechanical energy using polymer fibers, coiled into a spiral when they are heated.

Недостатком этого способа является необходимость нагревания волокон при цикле сжатия и охлаждения при цикле расслабления, что приводит к большому расходу энергии и усложняет способ. К тому же процессы нагревания и охлаждения инерционные, что негативно сказывается на быстродействии способа.The disadvantage of this method is the need for heating the fibers during the compression cycle and cooling during the relaxation cycle, which leads to a large expenditure of energy and complicates the method. In addition, the processes of heating and cooling are inertial, which negatively affects the speed of the method.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, способных под воздействием электричества деформироваться, менять свои геометрические размеры.The closest in technical essence to the claimed invention is a method for producing mechanical energy using electroactive polymers capable of deforming under the influence of electricity, changing their geometric dimensions.

Известно несколько видов электроактивных полимеров (ЭАП):Several types of electroactive polymers (EAPs) are known:

- Ионные ЭАП- Ionic EAP

- Полимерные гели (IGL)- Polymer gels (IGL)

- Ионные композиты полимер-металл (IPMC)- Polymer-metal ionic composites (IPMC)

- Проводящие полимеры (CP)- Conductive polymers (CP)

- Электронные ЭАП- Electronic EAP

- Пьезоэлектрические полимеры (РР)- Piezoelectric polymers (PP)

- Электрострикционные полимеры (ЕР)- Electrostrictive polymers (EP)

- Диэлектрические эластомеры (DE)- Dielectric Elastomers (DE)

- Жидкокристаллические эластомеры (LCE)- Liquid Crystal Elastomers (LCE)

- Аэрогели из углеродных нанотрубок (CNT)- Carbon Nanotube Aerogels (CNT)

(см. European Scientific Network for Artificial Muscles (ESNAM) http://www.esnam.eu; Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA; Dr. Yoseph Bar-Cohen http://eap.jpl.nasa.gov).(see European Scientific Network for Artificial Muscles (ESNAM) http://www.esnam.eu; Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA; Dr. Yoseph Bar-Cohen http://eap.jpl.nasa.gov).

Известный заявителю вышеуказанный способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, способных деформироваться под воздействием электричества, основан на непосредственном использовании изменения их геометрических размеров.Known to the applicant the above method of obtaining mechanical energy using electroactive polymers capable of deforming under the influence of electricity, based on the direct use of changes in their geometric dimensions.

Недостатком известного способа получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, способных деформироваться под воздействием электричества, является относительно малое изменение их геометрических размеров, явно недостаточное для решения большинства технических задач, что ограничивает сферу их применения.A disadvantage of the known method of producing mechanical energy using electroactive polymers capable of deforming under the influence of electricity is the relatively small change in their geometric dimensions, which is clearly insufficient to solve most technical problems, which limits their scope.

Технический результат заявляемого изобретения - увеличение степени деформации электроактивных полимеров, расширение сферы их применения, упрощение способа, уменьшение веса и габаритов устройства, используемого в способе.The technical result of the claimed invention is an increase in the degree of deformation of electroactive polymers, expanding the scope of their application, simplifying the method, reducing the weight and dimensions of the device used in the method.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, заключающемся в их деформации под воздействием электричества, согласно изобретению электроактивные полимеры используют в виде волокон, которые под воздействием электричества начинают сворачиваться в спираль, после отключения электричества полимерные волокна распрямляются, при этом полимерные волокна объединены в пучки и находятся в защитной эластичной оболочке, а одноименные электроды полимерных структур соединяют и выводят за ее пределы.The specified technical result is achieved by the fact that in the known method of obtaining mechanical energy using electroactive polymers, which consists in their deformation under the influence of electricity, according to the invention, electroactive polymers are used in the form of fibers, which, under the influence of electricity, begin to curl up, after disconnecting electricity, the polymer fibers straighten in this case, the polymer fibers are bundled and are in a protective elastic shell, and the same electrodes are polymeric Black structures are connected and taken out of it.

Отличительными признаками заявляемого способа являются новые условия для получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, а именно выполнение из них волокон. При реализации заявляемого способа было выявлено, что воздействие электричества на электроактивные полимеры в виде волокон способствует их деформации, изгибу и в результате сворачиванию в спираль. При отключении электричества полимерные волокна распрямляются. Указанная совокупность действий увеличивает степень деформации полимера, упрощает способ получения механической энергии, обеспечивает удобство и его доступность. Позволяет расширить сферу применения электроактивных полимеров (в робототехнике, биомеханических протезах, в различного рода приводах и т.д.), сократить вес и габариты устройств с их применением, упрощает их производство и эксплуатацию.Distinctive features of the proposed method are new conditions for obtaining mechanical energy using electroactive polymers, namely the implementation of these fibers. When implementing the proposed method, it was revealed that the effect of electricity on electroactive polymers in the form of fibers contributes to their deformation, bending, and as a result of folding into a spiral. When power is cut off, the polymer fibers straighten. The specified set of actions increases the degree of deformation of the polymer, simplifies the method of obtaining mechanical energy, provides convenience and its availability. It allows to expand the scope of application of electroactive polymers (in robotics, biomechanical prostheses, in various kinds of drives, etc.), reduce the weight and dimensions of devices with their use, simplifies their production and operation.

Кроме того, отличием заявляемого способа является объединение полимерных волокон в пучки и помещение в защитную эластичную оболочку (например, силиконовую), при этом одноименные электроды полимерных волокон соединяют и выводят за ее пределы. Это улучшает работоспособность устройства, реализующего заявляемый способ.In addition, the difference of the proposed method is the combination of polymer fibers in bundles and placement in a protective elastic sheath (for example, silicone), while the same electrodes of polymer fibers are connected and taken out of it. This improves the performance of the device that implements the inventive method.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find a source characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the totality of the features of the analogue, made it possible to establish a set of significant distinguishing features in relation to the technical result perceived by the applicant in the claimed method set forth in the claims.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически изображено устройство из ионного электроактивного полимера, на фиг. 2 - работа устройства из ионного электроактивного полимера, на фиг. 3 - работа устройства из электроактивного полимера, на фиг. 4 - пучок волокон электроактивного полимера в защитной оболочке, на фиг. 5 - устройство из диэлектрического эластомера, на фиг. 6 - работа устройства из диэлектрического эластомера.The proposed method is illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically shows a device of an ionic electroactive polymer, FIG. 2 - operation of a device made of an ionic electroactive polymer; FIG. 3 - operation of the device from an electroactive polymer, in FIG. 4 - a bundle of fibers of an electroactive polymer in a protective sheath; FIG. 5 - a device of a dielectric elastomer, FIG. 6 - operation of the device from a dielectric elastomer.

Для реализации заявляемого способа используют устройство из полимера, например ионного электроактивного, из которого выполняют волокна 1, при этом их сечение во много раз меньше их длины L1 (см. фиг. 3.). На поверхность волокон 1 с противоположных сторон наносят электроды 2 (фиг. 1). Полимерные волокна 1 объединяют в пучки и помещают в защитную эластичную диэлектрическую оболочку 3 (фиг. 4). Одноименные электроды полимерных волокон соединяют и выводят за пределы эластичной оболочки 3 (на фиг. не показан).To implement the proposed method, a device is used made of a polymer, for example, electroactive ion, from which fibers 1 are made, and their cross section is many times smaller than their length L1 (see Fig. 3.). Electrodes 2 are applied to the surface of the fibers 1 from opposite sides (Fig. 1). Polymer fibers 1 are bundled and placed in a protective elastic dielectric sheath 3 (Fig. 4). The same electrodes of polymer fibers are connected and removed beyond the elastic shell 3 (not shown in Fig.).

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Для получения механической энергии на электроды 2 подают постоянное электрическое напряжение 4. При этом сторона полимерного волокна у отрицательного электрода начинает удлиняться, когда как противоположная сторона у положительного - сокращаться, что приводит к изгибу отдельных участков полимерного волокна (фиг. 2). В силу того, что сечение волокна 1 во много раз меньше его длины L1, оно начинает сворачиваться в спираль (фиг. 3). При этом расстояние L2 между концами волокна значительно сокращается. После отключения электрического напряжения полимерное волокно 1 распрямляется, а расстояние между его концами восстанавливается. Чередуя акты сворачивания и распрямления полимерного волокна, получают механическую энергию.The proposed method is as follows. To obtain mechanical energy, a constant electric voltage 4 is applied to the electrodes 2. In this case, the side of the polymer fiber at the negative electrode begins to lengthen when, as the opposite side at the positive electrode, it contracts, which leads to bending of individual sections of the polymer fiber (Fig. 2). Due to the fact that the cross section of fiber 1 is many times smaller than its length L1, it begins to curl into a spiral (Fig. 3). In this case, the distance L2 between the ends of the fiber is significantly reduced. After turning off the voltage, the polymer fiber 1 is straightened, and the distance between its ends is restored. Alternating the acts of folding and straightening of a polymer fiber, mechanical energy is obtained.

В случае использования диэлектрических эластомеров (см. фиг. 5) предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Из диэлектрического эластомера выполняют волокна 1 в виде «сэндвича», разделенного электродом 2, На поверхность волокон 1 с противоположных сторон наносят электроды 2а, 2в. Для получения механической энергии на электроды 2, 2а подают постоянное электрическое высокое напряжение одноименного знака, а на электроды 2, 2в противоположного знака. При этом электроды 2, 2а начинают отталкиваться, эластомер растягиваться, а сторона полимерного волокна между электродами 2, 2а начинает сокращаться, когда как с противоположной стороны электроды 2, 2в начинают притягиваться, эластомер сжиматься, а сторона волокна между электродами 2, 2в - удлиняться, что приводит к изгибу отдельных участков полимерного волокна (фиг. 6). Это, как и в примере с ионным электроактивным полимером, приводит к тому, что волокно начинает сворачиваться в спираль (фиг. 3).In the case of using dielectric elastomers (see Fig. 5), the proposed method is as follows. From the dielectric elastomer, fibers 1 are made in the form of a “sandwich” separated by an electrode 2. Electrodes 2a, 2b are applied to the surface of the fibers 1 from opposite sides. To obtain mechanical energy, a constant electric high voltage of the same sign is applied to the electrodes 2, 2a, and of the opposite sign to the electrodes 2, 2c. In this case, the electrodes 2, 2a begin to repel, the elastomer stretches, and the side of the polymer fiber between the electrodes 2, 2a begins to contract, when, on the opposite side, the electrodes 2, 2c begin to attract, the elastomer shrinks, and the side of the fiber between the electrodes 2, 2b lengthens, which leads to the bending of individual sections of the polymer fiber (Fig. 6). This, as in the example with the ionic electroactive polymer, leads to the fact that the fiber begins to curl into a spiral (Fig. 3).

Claims (1)

Способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, заключающийся в их деформации под воздействием электричества, отличающийся тем, что электроактивные полимеры используют в виде волокон, которые после воздействия электричества начинают сворачиваться в спираль, после отключения электрического напряжения полимерные волокна распрямляются, при этом полимерные волокна объединены в пучки и находятся в защитной эластичной оболочке, а одноименные электроды полимерных структур соединяют и выводят за ее пределы. A method of obtaining mechanical energy using electroactive polymers, which consists in their deformation under the influence of electricity, characterized in that the electroactive polymers are used in the form of fibers, which, after exposure to electricity, begin to spiral, after disconnecting the voltage, the polymer fibers are straightened, while the polymer fibers are combined in bundles and are in a protective elastic shell, and the same electrodes of polymer structures are connected and taken out of it.
RU2014119098/06A 2014-05-12 2014-05-12 Method for producing mechanical energy by electroactive polymer RU2577923C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014119098/06A RU2577923C2 (en) 2014-05-12 2014-05-12 Method for producing mechanical energy by electroactive polymer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014119098/06A RU2577923C2 (en) 2014-05-12 2014-05-12 Method for producing mechanical energy by electroactive polymer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014119098A RU2014119098A (en) 2015-11-20
RU2577923C2 true RU2577923C2 (en) 2016-03-20

Family

ID=54552980

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014119098/06A RU2577923C2 (en) 2014-05-12 2014-05-12 Method for producing mechanical energy by electroactive polymer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2577923C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU175272U1 (en) * 2016-08-04 2017-11-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук ELECTRICALLY CONTROLLED ELEMENT OF THE EXECUTIVE DEVICE BASED ON HYDROGEL

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2179363C2 (en) * 1996-03-26 2002-02-10 Пьезомоторс Уппсала Аб Piezoelectric drive or motor, procedure of its actuation and process of its manufacture
RU2295802C2 (en) * 2005-05-23 2007-03-20 Иван Иванович Зюзин Piezoelectric drive of high economic efficiency
JP2012095527A (en) * 1999-07-20 2012-05-17 Sri Internatl Electrode and optical modulation device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2179363C2 (en) * 1996-03-26 2002-02-10 Пьезомоторс Уппсала Аб Piezoelectric drive or motor, procedure of its actuation and process of its manufacture
JP2012095527A (en) * 1999-07-20 2012-05-17 Sri Internatl Electrode and optical modulation device
RU2295802C2 (en) * 2005-05-23 2007-03-20 Иван Иванович Зюзин Piezoelectric drive of high economic efficiency

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU175272U1 (en) * 2016-08-04 2017-11-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук ELECTRICALLY CONTROLLED ELEMENT OF THE EXECUTIVE DEVICE BASED ON HYDROGEL

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014119098A (en) 2015-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lu et al. Bioinspired bicipital muscle with fiber-constrained dielectric elastomer actuator
Jung et al. Artificial annelid robot driven by soft actuators
JP5960226B2 (en) Electrothermal actuator
US7056297B2 (en) Wearable human motion applicator
JP6456509B2 (en) Bi-directional actuator
JP5960225B2 (en) Electrothermal composite structure and electrothermal actuator
JP5826361B1 (en) Electrothermal actuator
EP4284149A2 (en) Methods and mechanisms for maintaining an electro-active polymer in a pre-stretch state and uses thereof
JP6937099B2 (en) Dielectric elastomer power generator
RU2577923C2 (en) Method for producing mechanical energy by electroactive polymer
US10003281B2 (en) Electrostatic energy harvester with improved transparency and mechanical property using two-dimensional material on ferroelectric or piezoelectric material
JP5960227B2 (en) Manufacturing method of electrothermal actuator
CA2887991A1 (en) Orthotropic bimorph for improved performance synthetic jet
Fan et al. Predicting energy harvesting performance of a random nonlinear dielectric elastomer pendulum
McKay et al. Realizing the potential of dielectric elastomer generators
JP6630000B2 (en) Friction control device and method
Serairi et al. Numerical modeling and simulation of ZnO nanowire devices for energy harvesting
KR102168312B1 (en) Piezoelectric coaxial fiber and manufacturing method thereof
Livingston et al. Charging an electronic gadget using piezoelectricity
Pyo et al. Silver-nanowires coated pitch-tuned coiled polymer actuator for large contractile strain under light-loading
Brochu et al. Energy conversion efficiency of dielectric elastomer energy harvesters under pure shear strain conditions
Behboodi et al. An artificial skeletal muscle for use in pediatric rehabilitation robotics
Wu et al. A modular twisted and coiled polymer actuator unit for robotic tentacles
Rase et al. A wrist-band coupled, human skin based triboelectric generator for harvesting biomechanical energy
CHOI Soft Actuator Based on Dielectric Elastomer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170513