Dielectric Elastomer Actuator
- También llamado: DEA
- Categoría: Actuation & drivetrain › Motors
- Etiquetas: soft-actuators, artificial-muscle, electroactive-polymer, microrobotics, high-voltage
Un actuador blando formado por una película fina de elastómero entre electrodos flexibles; una alta tensión comprime la película, haciéndola más fina y más extensa, y produce grandes deformaciones.
Definición
Un actuador de elastómero dieléctrico (DEA) (dielectric elastomer actuator) es un condensador con un dieléctrico blando y estirable. Una película fina de elastómero, normalmente silicona o un elastómero acrílico, se recubre por ambas caras con electrodos flexibles, como grasa de carbono, silicona cargada de carbono o capas de nanotubos de carbono. Al aplicar una tensión, las cargas opuestas de los dos electrodos se atraen y las cargas del mismo signo de cada electrodo se repelen, lo que comprime la película en espesor y la expande en área. Como el elastómero es casi incompresible, la reducción de espesor y el aumento de área están acoplados. Los DEA pertenecen a la familia más amplia de los polímeros electroactivos, y el trabajo de Pelrine y sus colegas en SRI International hacia 2000 mostró que las películas preestiradas podían alcanzar deformaciones superiores al 100 por ciento, lo que los convirtió en un candidato serio para músculos artificiales.
La presión de actuación efectiva, a menudo llamada esfuerzo de Maxwell, es p = ε₀ εᵣ E², donde E es el campo eléctrico a través de la película (tensión dividida por espesor) y εᵣ es la permitividad relativa del elastómero. La dependencia cuadrática del campo es la razón por la que los DEA necesitan campos de decenas de voltios por micrómetro, lo que supone kilovoltios para películas de decenas de micrómetros de espesor, o pilas multicapa de películas más finas para reducir la tensión. Los diseños prácticos incluyen pilas que se contraen en espesor, tubos enrollados que se alargan o se flexionan, diafragmas y películas preestiradas sobre marcos flexibles que se flexionan o se pliegan. El preestirado mejora el rendimiento y ayuda a suprimir la inestabilidad electromecánica, en la que la película se adelgaza, el campo aumenta y la película se adelgaza aún más hasta que falla.
La envolvente de funcionamiento la fijan los modos de fallo. La ruptura dieléctrica, un cortocircuito eléctrico a través de la película, limita el campo y, por tanto, la fuerza; los defectos, el polvo y los bordes de los electrodos hacen que la ruptura se produzca por debajo de la rigidez nominal del material, de modo que la vida útil depende en gran medida de lo cerca de ese límite que funcione el actuador. Los elastómeros acrílicos dan grandes deformaciones pero son viscoelásticos y lentos, mientras que las siliconas responden más rápido con menores pérdidas, lo que importa en usos de alta frecuencia como las alas batientes. Eléctricamente, un DEA es una carga capacitiva: consume poca corriente en régimen estacionario, pero necesita un controlador de alta tensión compacto, y ese controlador suele ser la parte más pesada y más difícil de un robot pequeño accionado por DEA. A diferencia de la actuación magnética o basada en motores, un DEA no tiene imanes, bobinas ni engranajes, y su flexibilidad forma parte del propio actuador en lugar de añadirse mediante un muelle o una estructura blanda.
Por qué importa
Los DEA ofrecen una deformación similar a la de un músculo y una respuesta rápida en un dispositivo blando y silencioso, sin engranajes ni imanes. Eso los convierte en una de las pocas opciones de actuador para robots voladores a escala de insecto, pinzas blandas y otras máquinas en las que los motores son demasiado pesados o demasiado rígidos, siempre que la electrónica de alta tensión y el límite de ruptura se tengan en cuenta en el diseño desde el principio.
Aplicaciones clave
- Robots aéreos de alas batientes y a escala de insecto
- Pinzas blandas, incluidos diseños combinados con electroadhesión
- Robots blandos reptantes y nadadores
- Pantallas hápticas y táctiles
- Lentes sintonizables y otros dispositivos ópticos adaptativos
- Recolección de energía con generadores de elastómero dieléctrico
En la práctica
Un equipo que construye un robot de alas batientes a escala de insecto enrolla un DEA de silicona multicapa en forma de cilindro y lo conecta al ala mediante una transmisión de flexión. Lo accionan con una alta tensión sinusoidal cercana a la frecuencia de resonancia del ala, superpuesta a una polarización de CC, para que el actuador oscile en ambos sentidos alrededor de un punto medio; la presión electrostática solo comprime la película, sea cual sea la polaridad. La tensión de pico se elige con margen por debajo de la tensión de ruptura medida en muestras de prueba del mismo lote, porque acercarse más da más sustentación pero acorta drásticamente la vida del actuador. El controlador de vuelo trata la amplitud de la tensión como su orden de empuje y debe respetar ese techo, así como el lento cambio de las propiedades del actuador a medida que se calienta y envejece.
Ideas erróneas comunes
- Más tensión siempre significa más fuerza útil — la fuerza crece con el cuadrado del campo, pero también el riesgo de ruptura dieléctrica, y funcionar cerca del límite reduce drásticamente la vida útil
- Invertir la tensión invierte el movimiento — la presión electrostática depende del cuadrado del campo, por lo que la película se comprime sea cual sea la polaridad; el movimiento bidireccional necesita una polarización, una precarga o un par antagonista
- Los DEA son fáciles de alimentar porque consumen poca corriente — necesitan electrónica de accionamiento del orden de kilovoltios, y el convertidor suele dominar la masa y la complejidad de un robot pequeño
- Un DEA es un tipo de actuador piezoeléctrico — las cerámicas piezoeléctricas son rígidas y dan deformaciones muy por debajo del uno por ciento, mientras que los DEA son blandos y se basan en la presión electrostática sobre una película flexible
Quién debería saberlo
- Investigadores en robótica blanda
- Ingenieros de microrrobots y de robots aéreos a escala de insecto
- Diseñadores de electrónica de potencia de alta tensión
- Ingenieros de materiales que trabajan con polímeros electroactivos
Tecnologías relacionadas
- Polímeros electroactivos (Electroactive Polymers)
- Actuadores piezoeléctricos bimorfos (Piezoelectric Bimorph Actuators)
- Actuadores HASEL
- Electroadhesión (Electroadhesion)
- Convertidores CC-CC de alta tensión (High-Voltage DC-DC Converters)
- Electrodos flexibles (Compliant Electrodes)