Location of Repository

Metallic muscles : enhanced strain and electrolyte-free actuation

By Eric Detsi

Abstract

Kunstspieren veranderen van afmeting onder invloed van externe stimuli, zoals een elektrisch spanningsverschil. Populaire materialen die voor kunstspieren worden gebruikt zijn piëzokeramische materialen en electro-actieve polymeren. Onlangs is er een nieuw soort kunstspier ontwikkeld, gemaakt uit nanoporeus metaal. Zulke metallische spieren, zoals ze worden genoemd, werken bij elektrische spanningen in de orde van 1 V, wat laag is vergeleken met piëzokeramische materialen die meer dan 100 V nodig hebben. Zulke metallische spieren hebben wel beperkingen veroorzaakt door de vloeistof (electrolyt) die nodig is om te kunnen functioneren. (1) De lage elektrische geleidbaarheid van de vloeistof beperkt de snelheid waarmee de spier kan bewegen. (2) In de vloeistof corrodeert het metaal als gevolg van de chemische reacties die plaatsvinden wanneer een elektrische spanning wordt aangelegd. (3) De vloeistof is niet handig voor een kunstspier, want veel toepassingen hebben een droge omgeving nodig. Een belangrijke eigenschap van nanoporeuze metalen is hun hoge oppervlakte-volume verhouding. Wij beginnen dit proefschrift met het afleiden van een analytische uitdrukking om het specifieke oppervlak van nanoporeuze materialen te kunnen berekenen (hoofdstuk 3). Daarna wordt uitgelegd hoe verschillende typen nanoporeuze materialen gemaakt kunnen worden en hoe de afmetingen van de structuur zeer precies gereguleerd kan worden (hoofdstuk 4). Wij laten een nieuwe morfologie zien voor nanoporeus goud, waarbij de microstructuur afmetingen van twee verschillende groottes heeft. Dit nieuwe materiaal maakt grotere bewegingen van de kunstspier mogelijk, tot ~ 60x hoger dan gebruikelijk was (hoofdstuk 5). We hebben laten zien dat de bovengenoemde problemen (1, 2 en 3) kunnen worden opgelost door de vloeibare electrolyt te vervangen door een vast polymeer. Metallische spieren in combinatie met een polymeer bewegen meer dan 1400 keer sneller dan in combinatie met een vloeibare electrolyt (deel 1 van hoofdstuk 6). Een interessante multifunctionele kunstspier kan worden gemaakt door de nanoporeus metal/polymeer composiet in een electrolyt te gebruiken: als een spanning wordt aangelegd over deze composiet, verandert het metaal van afmeting en tegelijkertijd verandert de polymeer van kleur (deel 2 van hoofdstuk 6). An artificial muscle can change its size when subjected to an external stimulus, such as an electrical voltage. Commonly used artificial muscles include piezoceramics and electroactive polymers. Recently, a new class of artificial muscles made of nanoporous metals has emerged. These metallic muscles, as they are called, operate at low voltages, of the order of 1 V compared to e.g. piezoceramics that require more than 100 V. However, metallic muscles suffer from some drawbacks caused by the liquid medium (electrolyte) that they need to work. (1) The low electrical conductivity of the liquid restricts the speed with which the muscle can move. (2) The metallic muscle suffers from corrosion due to chemical reactions that take place in the liquid when an electrical voltage is applied. (3) Wet environments are not suitable for practical applications; artificial muscles that can operate in a dry environment are preferable. A key feature of nanoporous metals is their high surface-area-to-volume ratios. In this thesis we start with deriving an analytical expression to calculate the specific surface area of nanoporous materials (chapter 3). Then it is explained how to make various types of nanoporous metals and how to accurately control their structure sizes (chapter 4). Further, we design nanoporous gold with a new morphology, consisting of a two-microscopic length scale structure. We exploit the deformation mode in this two-microscopic length scale material to significantly improve the relative displacement amplitude in metallic muscles, up to ~ 60 times higher than in nanoporous metals with the standard one-microscopic length scale structure (chapter 5). To tackle the problems mentioned above in (1), (2) and (3) caused by liquid media, we replace the liquid medium by a polymer. Metallic muscles used in combination with a polymer move above 1400 times faster than when they use a liquid medium (part-1 chapter 6).

Topics: Transmissie, Actuatoren; Oppervlaktestructuur (materiaalkunde); Goud; Nanocomposieten; Poreuze media; Nanokristallijne materialen; Proefschriften (vorm); Prothesen; Spieren; metaalkunde: overige
Year: 2012
OAI identifier: oai:ub.rug.nl:dbi/508a49f23ccb3
Download PDF:
Sorry, we are unable to provide the full text but you may find it at the following location(s):
  • http://irs.ub.rug.nl/ppn/35218... (external link)
  • Suggested articles


    To submit an update or takedown request for this paper, please submit an Update/Correction/Removal Request.