Dielectric Elastomer Actuator
- Detto anche: DEA
- Categoria: Actuation & drivetrain › Motors
- Tag: soft-actuators, artificial-muscle, electroactive-polymer, microrobotics, high-voltage
Un attuatore morbido costituito da una pellicola sottile di elastomero tra elettrodi cedevoli; un'alta tensione comprime la pellicola rendendola più sottile e più estesa, producendo grandi deformazioni.
Definizione
Un attuatore a elastomero dielettrico (DEA) (dielectric elastomer actuator) è un condensatore con un dielettrico morbido ed estensibile. Una pellicola sottile di elastomero, tipicamente silicone o un elastomero acrilico, è rivestita su entrambe le facce con elettrodi cedevoli, come grasso di carbonio, silicone caricato con carbonio o strati di nanotubi di carbonio. Quando si applica una tensione, le cariche opposte sui due elettrodi si attraggono e le cariche dello stesso segno su ciascun elettrodo si respingono, il che comprime la pellicola nello spessore e la espande in superficie. Poiché l'elastomero è quasi incomprimibile, la riduzione dello spessore e l'aumento della superficie sono accoppiati. I DEA appartengono alla più ampia famiglia dei polimeri elettroattivi, e il lavoro di Pelrine e colleghi presso SRI International intorno al 2000 ha mostrato che pellicole pre-stirate potevano raggiungere deformazioni superiori al 100 per cento, il che li ha resi un candidato serio per i muscoli artificiali.
La pressione di attuazione efficace, spesso chiamata sforzo di Maxwell, è p = ε₀ εᵣ E², dove E è il campo elettrico attraverso la pellicola (tensione divisa per lo spessore) ed εᵣ è la permittività relativa dell'elastomero. La dipendenza quadratica dal campo è il motivo per cui i DEA richiedono campi di decine di volt per micrometro, il che significa kilovolt per pellicole spesse decine di micrometri, oppure pile multistrato di pellicole più sottili per abbassare la tensione. I progetti pratici comprendono pile che si contraggono nello spessore, tubi arrotolati che si allungano o si flettono, diaframmi e pellicole pre-stirate su telai flessibili che si flettono o si piegano. Il pre-stiramento migliora le prestazioni e aiuta a sopprimere l'instabilità elettromeccanica, in cui la pellicola si assottiglia, il campo aumenta e la pellicola si assottiglia ulteriormente fino a cedere.
L'inviluppo operativo è fissato dai modi di guasto. La rottura dielettrica, un cortocircuito elettrico attraverso la pellicola, limita il campo e quindi la forza; difetti, polvere e bordi degli elettrodi fanno sì che la rottura avvenga al di sotto della rigidità nominale del materiale, per cui la durata dipende fortemente da quanto l'attuatore lavora vicino a quel limite. Gli elastomeri acrilici danno grandi deformazioni ma sono viscoelastici e lenti, mentre i siliconi rispondono più rapidamente e con perdite minori, il che conta negli usi ad alta frequenza come le ali battenti. Dal punto di vista elettrico un DEA è un carico capacitivo: assorbe poca corrente a regime, ma richiede un driver ad alta tensione compatto, e quel driver è spesso la parte più pesante e più difficile di un piccolo robot azionato da DEA. A differenza dell'attuazione magnetica o basata su motori, un DEA non ha magneti, bobine né ingranaggi, e la sua cedevolezza fa parte dell'attuatore stesso anziché essere aggiunta tramite una molla o una struttura morbida.
Perché è importante
I DEA offrono una deformazione simile a quella di un muscolo e una risposta rapida in un dispositivo morbido e silenzioso, senza ingranaggi né magneti. Questo li rende una delle poche opzioni di attuatore per robot volanti in scala d'insetto, pinze morbide e altre macchine in cui i motori sono troppo pesanti o troppo rigidi, a condizione che l'elettronica ad alta tensione e il limite di rottura siano considerati nel progetto fin dall'inizio.
Applicazioni principali
- Robot aerei ad ali battenti e in scala d'insetto
- Pinze morbide, compresi progetti combinati con l'elettroadesione
- Robot morbidi striscianti e natanti
- Display aptici e tattili
- Lenti sintonizzabili e altri dispositivi ottici adattivi
- Raccolta di energia con generatori a elastomero dielettrico
In pratica
Un gruppo che costruisce un robot ad ali battenti in scala d'insetto arrotola un DEA in silicone multistrato a forma di cilindro e lo collega all'ala tramite una trasmissione a flessione. Lo pilota con un'alta tensione sinusoidale vicina alla frequenza di risonanza dell'ala, sovrapposta a una polarizzazione in continua, in modo che l'attuatore oscilli in entrambe le direzioni attorno a un punto medio; la pressione elettrostatica comprime soltanto la pellicola, qualunque sia la polarità. La tensione di picco è scelta con un margine al di sotto della tensione di rottura misurata su campioni di prova dello stesso lotto, perché spingersi più vicino dà più portanza ma accorcia drasticamente la vita dell'attuatore. Il controllore di volo tratta l'ampiezza della tensione come il proprio comando di spinta e deve rispettare quel tetto, così come la lenta variazione delle proprietà dell'attuatore man mano che si scalda e invecchia.
Idee sbagliate comuni
- Una tensione più alta significa sempre più forza utile — la forza cresce con il quadrato del campo, ma cresce anche il rischio di rottura dielettrica, e lavorare vicino al limite riduce drasticamente la durata
- Invertire la tensione inverte il movimento — la pressione elettrostatica dipende dal quadrato del campo, quindi la pellicola si comprime qualunque sia la polarità; il movimento bidirezionale richiede una polarizzazione, un precarico o una coppia antagonista
- I DEA sono facili da alimentare perché assorbono poca corrente — richiedono un'elettronica di pilotaggio nell'ordine dei kilovolt, e il convertitore spesso domina la massa e la complessità di un piccolo robot
- Un DEA è un tipo di attuatore piezoelettrico — le ceramiche piezoelettriche sono rigide e danno deformazioni ben al di sotto dell'uno per cento, mentre i DEA sono morbidi e si basano sulla pressione elettrostatica su una pellicola cedevole
Chi dovrebbe saperlo
- Ricercatori di soft robotics
- Ingegneri di microrobot e di robot aerei in scala d'insetto
- Progettisti di elettronica di potenza ad alta tensione
- Ingegneri dei materiali che lavorano sui polimeri elettroattivi
Tecnologie correlate
- Polimeri elettroattivi (Electroactive Polymers)
- Attuatori piezoelettrici bimorfi (Piezoelectric Bimorph Actuators)
- Attuatori HASEL
- Elettroadesione (Electroadhesion)
- Convertitori DC-DC ad alta tensione (High-Voltage DC-DC Converters)
- Elettrodi cedevoli (Compliant Electrodes)