פולימרים אלקטרו-אקטיביים

a- ציור של מכונת פולימרים אלקטרו-אקטיביים b- זרם חשמלי מוזרם אל הפולימרים האלקטרו-אקטיביים הגורם לעיוות הפולימרים c- כאשר הזרמת החשמל מופסקת, הפולימרים האלקטרו-אקטיביים חוזרים לצורתם המקורית ואוחזים את הכדור

פולימרים אלקטרו-אקטיביים (באנגלית: electroactive polymers או בקיצור EAPs) הם פולימרים שניתן לשנות את גודלם או את צורתם באמצעות שדה חשמלי.

פולימרים אלקטרו-אקטיביים  יכולים לעבור שינוי בצורתם של עד כ- 10% בעקבות העברת זרם חשמלי. היכולות של חומרים אלו המתקרבות ליכולתם של השרירים בגופנו לעבור עיוותים בצורתם, הקנו להם את הכינוי "שרירים מלאכותיים". דוגמאות לחומרים כאלו הן סיליקון ופולימרים אקריליים. 

היסטוריה

ציון הדרך הראשון בהיסטוריה של הפולימרים האלקטרו-אקטיביים הוא גילויים לראשונה בשנת 1880 על ידי ויליאם רונטגן.

בשנת 1999 הציב ד"ר יוסף בר כהן כאתגר לחוקרים ברחבי העולם לקיים משחק "הורדת ידיים" של זרוע רובוטית (EAP) נגד אדם. קבוצות מחקר ברחבי העולם התחרו על עיצוב זרוע רובוטית המורכבת משרירי EAP שתוכל להביס אדם בהורדת ידיים. אתגר זה התקיים בכנס מתנעי פולימרים אלקטרואקטיביים בשנת 2005. 

ציון דרך חשוב בהיסטוריה של הפולימרים האלקטרו-אקטיביים הוא הפיתוח המסחרי הראשון של מכשיר שכלל EAPs באופן המחקה שריר מלאכותי. הוא הופק בשנת 2002 על ידי "Eamex" ביפן. מכשיר זה היה מכשיר דמוי דג המסוגל לשחות בכוחות עצמו, כשזנבו נע באמצעות חלק דמוי שריר המבוסס על EAP. עם כל זאת, התקדמות הפיתוח המעשי לא הייתה משביעת רצון מנקודת מבטם של חוקרים ברחבי העולם.

בשנת 1990 פותח בחברת International SRI פולימר אלקטרואקטיבי באמצעות הפולימרים סיליקון ופולימרים אקריליים. הטכנולוגיה הוכנסה לייצור נסיוני של שרירים מלאכותיים בשנת 2003, ובשנת 2008 התחיל לפעול פס ייצור תעשייתי.

אלסטומרים דיאלקטרים מהווים תת-קבוצה של פולימרים אלקטרו-אקטיביים.

סוגים

פולימרים אלקטרואקטיביים מצויים בכמה מצבים מרכזיים.

דיאלקטרי

חומרים בהם ההפעלה של הפולימר נגרמת על ידי כוחות אלקטרוסטטיים המתקיימים בין שתי אלקטרודות, אשר סוחטות ומוחצות את הפולימר.

סוג זה של פולימרים בדרך כלל דורש מתח גדול ליצירת שדות חשמליים עוצמתיים (מאות עד אלפי וולטים), אבל צריכת החשמל של הפולימר נמוכה מאוד.

פארואלקטריק

קבוצה של פולימרי קוטב גבישי. פולימרים אלה שומרים על קיטוב חשמלי קבוע שיכול להיות הפוך מפולימרים דיאלקטרים.

סוגים נוספים

• ליקואיד קריסטלין
• אלקטרוסטריקטיב גראפט
• לוניק
• אלקטרואולוגיקל פלויד
• לוניק מאטל קומפוסיט
• סטימולי ראספונסיו גאלס

אפיון 

פולימרים אלקטרואקטיביים מאופיינים בדרכים רבות. ניתן לאפיין אותם על פי תכונות מכניות של פולימרים כגון החוזק והגמישות. הדבר נעשה על ידי מתן כוח הפולימר בשיעור אחיד ומדידת העיוות שנוצר כתוצאה מכך. DMTA - (Dynamic mechanical thermal analysis) הניתוח המכני הדינמי הוא טכניקה הרסנית אך שימושית בהבנת המנגנון של עיוות המתקיים בפולימרים האלקטוראקטיביים ברמה מולקולרית. מטרתה היא להמיר את האנרגיה המכנית של המתח המאפיינת את הפולימר לאנרגיה פוטנציאלית שניתן יהיה לשחזר מאוחר יותר. המרה זאת נעשית באמצעות חומרים אלסטיים. הרעיון הוא להשתמש בכל האנרגיה הפוטנציאלית ולהשיב את הפולימר לצורתו המקורית. DETA - (Dielectric thermal analysis) דומה ל-DMTA אבל במקום פעולה של כוח מכני, פועל שדה חשמלי.

תוכניות לעתיד ומחקרים 

נכון ל-2017, במעבדות שונות מתעסקות בשימושים רבים ושונים לפולימרים האלקטרו-אקטיביים. שניים מהפרויקטים הבולטים המתקיימים במעבדות אלה:

• ד"ר יוסף בר-כהן העובד בנאס"א, נמצא בחזית המחקר בתחום הפולימרים האלקטרו-אקטיביים. מחקריו מכוונים לשימוש בתכונותיהם ליצירת שרירים מלאכותיים.
• פרופסור סטפן רודיך ומחקרו על פולימרים אלקטרואקטביים ושימושיהם בתעשייה.

קישורים חיצוניים

• "פחות אדישים, הרבה יותר חכמים, רגישים ואקטיביים: ככה אנחנו אוהבים את החומרים שלנו"- כתבה בעיתון "הארץ"
• דוקטור יוסי בר- כהן- כתבה

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

24117034פולימרים אלקטרו-אקטיביים