Compuestos iónicos de polímero y metal

Los compuestos iónicos de polímero y metal (IPMCs) son nanomateriales compuestos sintéticos que muestran un comportamiento muscular artificial bajo un voltaje o campo eléctrico aplicado. Los IPMC están compuestos de un polímero iónico como Nafion o Flemion cuyas superficies están revestidas químicamente o físicamente con conductores como platino u oro. Bajo un voltaje aplicado (1–5 V para muestras típicas de 10 mm × 40 mm × 0,2 mm), la migración y redistribución de iones debido al voltaje impuesto a través de una tira de IPMC da como resultado una deformación por flexión. Además, los IPMC pueden ser hidrogeles iónicos que se sumergen en una solución electrolítica y se conectan al campo eléctrico indirectamente.

Si los electrodos revestidos se disponen en una configuración no simétrica, el voltaje impuesto puede inducir una variedad de deformaciones, como torsión, enrollamiento, giro, volteo, remolino y deformación por flexión no simétrica. Alternativamente, si tales deformaciones se aplican físicamente a tiras de IPMC, generan una señal de voltaje de salida (unos pocos milivoltios para muestras pequeñas típicas) como sensores y recolectores de energía. Los IPMC son un tipo de polímero electroactivo. Funcionan muy bien en un entorno líquido, así como en el aire. Tienen una densidad de fuerza de aproximadamente 40 en una configuración en voladizo, lo que significa que pueden generar una fuerza en la punta de casi 40 veces su propio peso en un modo en voladizo. Los IPMC en actuación, detección y recolección de energía tienen un ancho de banda muy amplio de kilo Hz y más. Los IPMC fueron introducidos por primera vez en 1998 por Shahinpoor, Bar-Cohen, Xue, Simpson y Smith (ver referencias a continuación), pero la idea original de los actuadores y sensores de polímeros iónicos se remonta a 1992-93 por Adolf, Shahinpoor, Segalman, Witkowski, Osada, Okuzaki, Hori, Doi, Matsumoto, Hirose, Oguro, Takenaka, Asaka y Kawami, como se muestra a continuación:

1-Segalman D. J., Witkowski W. R., Adolf D. B., Shahinpoor M., "Teoría y aplicación de geles poliméricos controlados eléctricamente", Int. Journal of Smart Material and Structures, vol. 1, págs. 95-100, (1992)
2-Shahinpoor M., "Diseño conceptual, cinemática y dinámica de estructuras robóticas de natación utilizando músculos iónicos de gel polimérico", Int. Journal of Smart Material and Structures, vol. 1, págs. 91-94, (1992)
3-Y. Osada, H. Okuzaki y H. Hori, "Un gel polimérico con movilidad controlada eléctricamente", Nature, vol. 355, págs. 242–244, (1992)
4-Oguro K., Kawami Y. y Takenaka H., "Doblado de un compuesto de electrodo de película de polímero conductor de iones mediante un estímulo eléctrico a bajo voltaje", Trans. J. Micro-Machine Society, vol. 5, págs. 27–30, (1992)
5-M. Doi, M. Marsumoto y Y. Hirose, "Deformación de geles iónicos mediante campos eléctricos", Macromolecules, vol. 25, págs. 5504–5511, (1992)
6-Oguro, K., K. Asaka y H. Takenaka, "Polymer film actuator drived by low voltage", en las Actas del 4º Simposio Internacional de Micromáquinas y Ciencias Humanas", Nagoya, págs. 38–40, (1993)
7-Adolf D., Shahinpoor M., Segalman D., Witkowski W., "Electrically Controlled Polymeric Gel Actuators", Oficina de Patentes de EE. UU., Patente de EE. UU. N.º 5.250.167, emitida el 5 de octubre de (1993)
8-Oguro K., Kawami Y. y Takenaka H., "Actuator Element", Patente de EE. UU. Oficina, Patente de EE. UU. N.º 5.268.082, expedida el 7 de diciembre de (1993)

A estas patentes le siguieron otras patentes relacionadas:

9-Shahinpoor, M., "Actuador lineal de gel polimérico iónico accionado por resorte", Oficina de Patentes de EE. UU., Patente de EE. UU. N.º 5.389.222, expedida el 14 de febrero (1995)
10-Shahinpoor, M. y Mojarrad, M., "Actuadores suaves y músculos artificiales", Oficina de Patentes de EE. UU., Patente de Estados Unidos 6.109.852, expedida el 29 de agosto (2000)
11-Shahinpoor, M. y Mojarrad, M., "Sensores y actuadores de polímeros iónicos", Oficina de Patentes de EE. UU., N.º 6.475.639, expedida el 5 de noviembre (2002)
12-Shahinpoor, M. y Kim, K.J., “Método de fabricación de un músculo sintético polimérico electroactivo seco”, Oficina de Patentes de EE. UU., Patente N.° 7.276.090, expedida el 2 de octubre (2007)
También cabe mencionar que Tanaka, Nishio y Sun introdujeron el fenómeno del colapso del gel iónico en un campo eléctrico:
13-T. Tanaka, I. Nishio y S.T. Sun, "Colapso de geles en un campo eléctrico", Science, vol. 218, págs. 467–469, (1982)

También cabe mencionar que Hamlen, Kent y Shafer introdujeron la contracción electroquímica de las fibras de polímeros iónicos:

14-R. P. Hamlen, C. E. Kent y S. N. Shafer, "Polímero contráctil activado electrolíticamente", Nature, vol. 206, núm. 4989, págs. 1140–1141, (1965)

También debemos reconocer el mérito a Darwin G. Caldwell y Paul M. Taylor por sus primeros trabajos sobre geles estimulados químicamente como músculos artificiales:

15-Darwin G. Caldwell y Paul M. Taylor, "Actuación pseudomuscular estimulada químicamente", International Journal of Engineering Science, volumen 28, número 8, págs. 797-808, (1990)

• M. Shahinpoor, Y. Bar-Cohen, J. O. Simpson y J. Smith "Ionic Polymer Metal Composites (IPMCs) as Biomimetic Sensors, Actuators and Artificial Muscles-A Review", Int. J. Smart Materials and Structures, vol. 7, no.6, pp. R15-R30, (1998)
• Shahinpoor, M.; Bar-Cohen, Y.; Xue, T.; Simpson, J.O y Smith, J. "Ionic Polymer-Metal Composites (IPMC) como sensores y actuadores biomiméticos", Proceedings of SPIE's 5th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, 1–5 March 1998, San Diego, California. Documento No. 3324-27.
• S. Nemat-Nasser y C. Thomas, "Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Artificial Muscles – Reality, Potential and Challenges", Ionomeric Polymer-metal Composites, editado por Bar-Cohen, SPIE, Chap. 6 [139] 2001.
• IPMC Actuator

• KHAWWAF, Jasim, et al. Control de seguimiento robusto de un actuador IPMC usando el modo deslizante terminal no lineal. Materiales y estructuras inteligentes, 2017, 26.9: 095042.