Dielectric Elastomer Actuator
- Aussi appelé: DEA
- Catégorie: Actuation & drivetrain › Motors
- Mots-clés: soft-actuators, artificial-muscle, electroactive-polymer, microrobotics, high-voltage
Actionneur souple constitué d'un film d'élastomère mince entre deux électrodes compliantes ; une haute tension comprime le film, qui s'amincit et s'étale, ce qui produit de grandes déformations.
Définition
Un actionneur à élastomère diélectrique (DEA) (dielectric elastomer actuator) est un condensateur dont le diélectrique est souple et étirable. Un film mince d'élastomère, généralement du silicone ou un élastomère acrylique, est recouvert sur ses deux faces d'électrodes compliantes, par exemple de la graisse de carbone, du silicone chargé de carbone ou des couches de nanotubes de carbone. Lorsqu'une tension est appliquée, les charges opposées des deux électrodes s'attirent et les charges de même signe sur chaque électrode se repoussent, ce qui comprime le film dans son épaisseur et l'étend en surface. Comme l'élastomère est presque incompressible, la diminution d'épaisseur et l'augmentation de surface sont couplées. Les DEA appartiennent à la famille plus large des polymères électroactifs, et les travaux de Pelrine et de ses collègues à SRI International vers 2000 ont montré que des films pré-étirés pouvaient atteindre des déformations supérieures à 100 pour cent, ce qui en a fait des candidats sérieux pour les muscles artificiels.
La pression d'actionnement effective, souvent appelée contrainte de Maxwell, vaut p = ε₀ εᵣ E², où E est le champ électrique à travers le film (tension divisée par l'épaisseur) et εᵣ la permittivité relative de l'élastomère. Cette dépendance quadratique au champ explique pourquoi les DEA exigent des champs de plusieurs dizaines de volts par micromètre, soit des kilovolts pour des films de quelques dizaines de micromètres d'épaisseur, ou bien des empilements multicouches de films plus minces pour abaisser la tension. Les conceptions pratiques comprennent des empilements qui se contractent en épaisseur, des tubes enroulés qui s'allongent ou se courbent, des diaphragmes, et des films pré-étirés sur des cadres flexibles qui se courbent ou se plient. Le pré-étirement améliore les performances et aide à supprimer l'instabilité électromécanique, dans laquelle le film s'amincit, le champ augmente et le film s'amincit encore jusqu'à la rupture.
Le domaine de fonctionnement est fixé par les modes de défaillance. Le claquage diélectrique, un court-circuit électrique à travers le film, plafonne le champ et donc la force ; les défauts, la poussière et les bords des électrodes font que le claquage survient en dessous de la rigidité nominale du matériau, si bien que la durée de vie dépend fortement de la proximité de cette limite à laquelle l'actionneur fonctionne. Les élastomères acryliques donnent de grandes déformations mais sont viscoélastiques et lents, tandis que les silicones répondent plus vite avec moins de pertes, ce qui compte pour des usages à haute fréquence comme les ailes battantes. Électriquement, un DEA est une charge capacitive : il consomme peu de courant en régime permanent mais exige un pilote haute tension compact, et ce pilote est souvent la pièce la plus lourde et la plus difficile d'un petit robot à DEA. Contrairement à l'actionnement magnétique ou par moteur, un DEA n'a ni aimants, ni bobines, ni engrenages, et sa compliance fait partie de l'actionneur lui-même au lieu d'être ajoutée par un ressort ou une structure souple.
Pourquoi c'est important
Les DEA offrent une déformation semblable à celle d'un muscle et une réponse rapide à partir d'un dispositif souple et silencieux, sans engrenages ni aimants. Ils comptent donc parmi les rares actionneurs envisageables pour les robots volants à l'échelle de l'insecte, les pinces souples et d'autres machines pour lesquelles les moteurs sont trop lourds ou trop rigides, à condition que l'électronique haute tension et la limite de claquage soient prises en compte dès le début de la conception.
Applications principales
- Robots aériens à ailes battantes et à l'échelle de l'insecte
- Pinces souples, y compris des conceptions combinées à l'électroadhésion
- Robots souples rampants et nageurs
- Afficheurs haptiques et tactiles
- Lentilles accordables et autres dispositifs optiques adaptatifs
- Récupération d'énergie avec des générateurs à élastomère diélectrique
En pratique
Une équipe qui construit un robot à ailes battantes à l'échelle de l'insecte enroule un DEA multicouche en silicone en cylindre et le relie à l'aile par une transmission à liaisons flexibles. Elle l'alimente avec une haute tension sinusoïdale proche de la fréquence de résonance de l'aile, superposée à une polarisation DC, de sorte que l'actionneur oscille dans les deux sens autour d'un point milieu ; la pression électrostatique ne fait jamais que comprimer le film, quelle que soit la polarité. La tension de crête est choisie avec une marge sous la tension de claquage mesurée sur des échantillons d'essai du même lot, car s'en approcher davantage donne plus de portance mais raccourcit fortement la durée de vie de l'actionneur. Le contrôleur de vol traite l'amplitude de tension comme sa commande de poussée et doit respecter ce plafond, ainsi que l'évolution lente des propriétés de l'actionneur à mesure qu'il chauffe et vieillit.
Idées reçues
- Une tension plus élevée donne toujours plus de force utile — la force croît avec le carré du champ, mais le risque de claquage diélectrique aussi, et fonctionner près de la limite réduit fortement la durée de vie
- Inverser la tension inverse le mouvement — la pression électrostatique dépend du carré du champ, donc le film se comprime quelle que soit la polarité ; un mouvement bidirectionnel exige une polarisation, une précharge ou une paire antagoniste
- Les DEA sont faciles à alimenter parce qu'ils consomment peu de courant — ils ont besoin d'une électronique de commande dans la gamme du kilovolt, et le convertisseur domine souvent la masse et la complexité d'un petit robot
- Un DEA est une sorte d'actionneur piézoélectrique — les céramiques piézoélectriques sont rigides et donnent des déformations bien inférieures à un pour cent, alors que les DEA sont souples et reposent sur une pression électrostatique appliquée à un film compliant
Qui devrait le savoir
- Chercheurs en robotique souple
- Ingénieurs en microrobots et en robots aériens à l'échelle de l'insecte
- Concepteurs d'électronique de puissance haute tension
- Ingénieurs matériaux travaillant sur les polymères électroactifs
Technologies associées
- Polymères électroactifs (Electroactive Polymers)
- Actionneurs bimorphes piézoélectriques (Piezoelectric Bimorph Actuators)
- Actionneurs HASEL
- Électroadhésion (Electroadhesion)
- Convertisseurs DC-DC haute tension (High-Voltage DC-DC Converters)
- Électrodes compliantes (Compliant Electrodes)