İyonik polimer metal kompozit esaslı biyomimetik aktüatör modellenmesi ve tasarımı

Abstract

Akıllı malzemeler kategorisine giren iyonik polimer-metal kompozitler (İPMK), dışarıdan uygulanan bir elektrik alanı sonucu, içerisinde bulunan iyonların hareketine bağlı olarak şekil değiştirirler. İPMK'ların yapıları, iyonik polimer ve bu polimerin iki yüzeyine bir kaç mikrondan fazla olmayan kalınlıklarda kaplanan metal elektrotlardan oluşmaktadır. İyonik polimerler yumuşak bir yapıya sahip olmaları, düşük voltaj altında çalışmaları ve büyük deformasyon göstermelerinden dolayı yapay kas ve benzeri biyomimetik uygulamalarda sensör ve aktüatör olarak kullanılmaktadır.Bu çalışmada, biyomimetik uygulamalarda kullanılmak üzere farklı elektrot kalınlıklarında Nafyon bazlı İPMK eyleyiciler üretilmiştir. İlk olarak üretilen İPMK eyleyicilerin performansları doğru akım uygulanıp maksimum uç noktasının hareketi incelenerek karşılaştırılmıştır. İkinci aşamada ise eyleyicilerin performanslarını arttırmak amacıyla darbe genişliği modülasyonu (PWM) metodu kullanılması önerilmiştir. Bu aşamada PWM metodunun etkinliğini göstermek amacıyla farklı genlik ve doluluk oranlarına sahip elektriksel sinyallerin etkisi altında eyleyicilerin performansları gözlemlenmiştir ve bu sonuçlara dayanarak üretilen eyleyiciler için bir matematik model önerilmiştir. Son olarak elde edilen İPMK yapı ile fil hortumu eyleyici, Sinerjist ve Agonist-Antagonist kas hareket prensibi ile çalışan eyleyici ve balık yüzgeci eyleyici olmak üzere üç farklı tipte biyomimetik eyleyici üretilerek, test edilerek bu yapıların biyomimetik robotik uygulamalarında kullanılabilirliği gösterilmiştir.Çalışma, 111M643 numarası ile Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu tarafından desteklenmiştir.

Ionic polymer–metal composites, in which they are categorized as smart materials, can change their shapes by the movements of ions due to an external electric field. Ionic polymer–metal composite (IPMC) structures are formed from ionic polymers and a few micron thick metal electrodes coated on two sides of polymer surfaces Because ionic polymers have soft structure, can operate under low voltage and can show large deformation characteristics, they are used as artificial muscles and sensors/actuators elements in various biomimetic applications.Nafion based IPMC actuators were produced in different electrode thicknesses. Firstly, direct current is applied to IPMC actuators and performance of the actuators was measured by the movement of the tip point. In the second stage, it is proposed to use pulse width modulation (PWM) method to increase the performance of actuators. The results were examined and a mathematical model was proposed for the actuators. Finally, as a result of the studies, three different types of biomimetic actuators (elephant hose actuator, Synergist and Agonist-Antagonist muscle act actuator and fish fin actuator) were produced and tested.This work was supported by TUBITAK `The Scientific and Technical Research Council of Turkey` under grant number 111M643.