The two major obstacles in the application of IPMC to flapping actuators operated in the air are solvent loss and actuation force. In this paper, solvent loss of various IPMCs made of Nafion$^{TM}$117(183$\mu$m thickness) has been experimentally investigated to find out the best combination of cation and solvent for minimal solvent loss in IPMCs and higher actuation force. For this purpose. experiments for the internal solvent loss measurement of IMPCs have been conducted for various combinations of cation and solvent. From the experiments, it was found that heavy water showed improvement in the operating time up to more than two minutes. in the tip force measurement of IPMCs, it was found that smaller and thicker IPMCs produced larger tip forces. However, the shorter IPMCs generated reduced actuation displacements and created flapping motion with decreased natural frequency. For the design of flapping device actuated by 5mm wide, 10mm long, 0.2mm thick IPMCs were used in the stacked form. Since the actuation force is a few gram-force, we stacked five IPMCs to improve actuation force. To amply the actuation force, rack-and-pin ion type hinge was used for the flapping device and insect (Cicadidae) wing was attached to the stacked IPMC actuator. In the flapping test, the device could generate flapping angle of 15$^{\circ}$ at 6Hz excitation by 2.5 voltage square wave input.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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제4권6호
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pp.748-755
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2006
In this paper, a trade-off design and fabrication of IPMC(Ionic Polymer Metal Composites) as an actuator for a flapping device have been described. Experiments for the internal solvent loss of IPMCs have been conducted for various combinations of cation and solvent in order to find out the best combination of cation and solvent for minimal solvent loss and higher actuation force. From the experiments, it was found that IPMCs with heavy water as their solvent could operate longer. Relations between length/thickness and tip force of IPMCs were also quantitatively identified for the actuator design from the tip force measurement of 200, 400, 640, and $800{\mu}m$ thick IPMCs. All IPMCs thicker than $200{\mu}m$ were processed by casting $Nafion^{TM}$ solution. The shorter and thicker IPMCs tended to generate higher actuation force but lower actuation displacement. To improve surface conductivity and to minimize solvent evaporation due to electrically heated electrodes, gold was sputtered on both surfaces of the cast IPMCs by the Physical Vapor Deposition(PVD) process. For amplification of a short IPMC's small actuation displacement to a large flapping motion, a rack-and-pinion type hinge was used in the flapping device. An insect wing was attached to the IPMC flapping mechanism for its flapping test. In this test, the wing flapping device using the $800{\mu}m$ thick IPMC. could create around $10^{\circ}{\sim}85^{\circ}$ flapping angles and $0.5{\sim}15Hz$ flapping frequencies by applying $3{\sim|}4V$.
This study was conducted in order to develop a finger exoskeleton system using ionic polymer metal composites (IPMCs) as the actuator and sensor in a hybrid structure. To use the IPMC as an actuator producing large force, a first order transfer function was obtained using results from a block force for DC excitation that applied to two IPMCs of 20mm-width, 50mm-length, and 2.4mm thickness together. After which the validation of 200gf control with anti-windup PI controller was confirmed. A 5mm-width, 50mm-length, 0.6mm-thickness of IPMC was also modeled as a sensor for tip displacement. As a result, the IPMC sensor could been utilized as a trigger role for the actuator. Finally, an IPMC sensor and actuator were installed on the joint of a single DOF exoskeleton in the hybrid structure, and test for the control of 40gf of block force and predefined sequence of motion was performed.
Recently, polymer-metal composite (IPMC)-based ionic artificial muscle has been drawing a huge attention for its excellent soft actuator performance having outstanding soft actuator performance with efficient conversion of electrical energy to mechanical energy under low working voltage. In addition, light, flexible and soft nature of IPMC and high bending strain response enabled development of versatile sensor application in association with soft actuator. In this paper, current issues of IPMC were discussed including standardizing preparation steps, relaxation under DC bias, inhibiting solvent evaporation, and improving poor output force. Solutions for these drawbacks of IPMC have recently been suggested in recent studies. After following explanation of the IPMC working mechanism, we investigate the main factors that affect the operating performance of the IPMC. Then, we reviewed the optimized IPMC actuator fabrication conditions especially for the preparation process, additive selection for a thicker membrane, water content, solvent substitutes, encapsulation, etc. Lastly, we considered the pros and cons of IPMCs for sensor application in a theoretical and experimental point of view. The strategies discussed in this paper to overcome such deficiencies of IPMCs are highly expected to provide a scope for IPMC utilization in soft robotics application.
We propose a lens-drive unit composed of an ionic polymer-metal composite (IPMC) for an auto-focus compact camera module in cellular phones to solve the power consumption problem of voice coil motors which are widely used in commercial products. In this research, an IPMC incorporated into a lens-drive unit is designed to implement a large displacement in low-power consumption by using an anisotropic plasma treatment. Experimental results show that a camera module containing IPMCs can control and maintain the position of the lens by using proportional integral derivative control with a photo-reflective position sensor despite the non-linear actuation behavior of IPMCs. We demonstrate that the fabrication and commercialization of a lens actuator that has a large displacement and low power consumption using IPMCs is possible in the near future.
한국고분자학회 2006년도 IUPAC International Symposium on Advanced Polymers for Emerging Technologies
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pp.246-246
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2006
Ionic polymer-metal composite (IPMC) soaked with various ionic liquids was prepared by using polystyrene sulfonic acid-grafted poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) as ion-exchange membrane (IEM). The prepared IPMCs were effectively deformed three times larger and actuated for 300 times longer than those of Nafion with water at the same applied conditions. The experimental results indicated than the increase in the bending capability can be caused by the increase in the improved properties of the IEMs and ionic liquids such as uptake content and ionic conductivity. And air-operating stability of the IPMCs is appreciably governed by various physical and electrochemical properties of soaked solvents in IEMs.
A polypyrrole (PPy)/alumina composite filler prepared via in-situ polymerization of pyrrole on alumina particles was incorporated into $Nafion^{(R)}$ to improve the performance of ionic polymer-metal composite (IPMC) actuators. The IPMCs with the pristine PPy without alumina support did not show bending displacements superior to that of the bare Nafion-based IPMC, except at a high PPy content of 4 wt%. This result was attributed to the low redox efficiency of the PPy alone in the IPMC and may have also been related to the modulus of the IPMC. However, at the optimized filler contents, the cyclic displacement of the IPMCs bearing the PPy/alumina filler was 2.2 times larger than that of the bare Nafion-based IPMC under an applied AC potential of 3 Vat 1 Hz. Even under a low AC potential of 1.5 V at 1 Hz, the displacement of the PPy/alumina-based IPMCs was a viable level of performance for actuator applications and was 2.7 times higher than that of the conventional Nafion-based IPMC. The generated blocking force was also improved with the PPy/aiumina composite filler. The greatly enhanced performance and the low-voltage-operational characteristic of the IPMCs bearing the PPy/alumina filler were attributed to the synergic effects of the neighboring alumina moiety near the PPy moiety involving electrochemical redox reactions.
The ionic-polymer-metal-composite actuators have the best merit for bio-mimetic locomotion because of their large bending performance. Especially, they have the advantage for mimicking a fish-like motion because IPMCs are useful to be actuated in water. So we have developed IPMC actuators with multiple electrodes for realization of biomimetic motion. This actuator is fabricated by combining electroless plating and electroplating techniques capable of patterning precisely and controlling a thickness of Pt electrode layer. The FRF analysis was conducted by a mechanical shaker and direct electrical excitation which is based on sweep sine wave function. From this result, the proper young‘s modulus of Platinum was investigated and applied on expecting the vibration characteristics of patterned IPMC actuator. The calculated maximum displacement of the patterned IPMC was 2.32mm under an applied 4mN/mm. The natural frequency was increased however displacement was decreased in according to increase a thickness of Pt.
For conventional electrical actuators, the materials are mainly made up of metals, which mean they are prone to corrosion and electrical sparking. Replacing these systems with polymer metal composite based materials can be solved both problems. Considering their excellent electromechanical property, low device fabrication cost, light weight, and good electrical conductivity, the actuator based on ionic polymer metal composite (IPMC) was fabricated using Nafion film, NaOH 0.1 molar solution, and Au electrode. IPMCs exhibit good electrostatic property which means they can in principle be used in making actuators based on electromechanical motions. The resistance measurements of Nafion film after soaking in NaOH and deionized water were demonstrated and compared each other. The result of sample soaked in NaOH showed better electrical conductivity than in deionized water. The fabricated IPMC actuator exhibits a large deformation of bending displacement of approximately 9 mm with applied low AC voltage 6.89 V at 2.84 Hz. The result of computer simulation was also very similar and shown as a bending displacement of 8.6085 mm.
최근 전기 활성 고분자 (EAP) 액추에이터는 그들의 유연성, 경량성, 그리고 단순한 제작 과정 덕분에 소프트 로봇, 생체 모방 기술, 웨어러블 장치, 햅틱 기술 등 다양한 분야에서 높은 활용도를 보여주고 있다. 뿐만 아니라, 전기 활성 고분자 액추에이터들은 기능성 재료 및 혁신적 기술과의 결합을 통해 새로운 기능과 특성을 가진 스마트 기기로 발전하고 있다. 본 논문에서는 전기 활성 고분자를 이온성 전기 활성 고분자와 전기적 활성 고분자로 분류하였다. 이온성 전기 활성 고분자에는 대표적으로 이온성 금속-고분자 복합재 (IPMCs), 전도성 고분자 (CPs) 액추에이터가 소개되며, 전기적 활성 고분자에는 유전성 탄성체 액추에이터 (DEAs), 강유전 고분자 액추에이터, 그리고 최근 발표된 유압증폭 자가치유 정전 (HASEL) 액추에이터가 소개된다. 각각의 액추에이터에 대한 메커니즘, 구조, 성능 개선 방안 및 기능성 추가 방법 및 응용 분야에 대한 내용을 최신 연구를 바탕으로 상세히 설명하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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