Metallic muscles: enhanced strain and electrolyte-free actuation

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).