电活性聚合物（EAP）是当受到电场刺激时表现出尺寸或形状变化的聚合物。这类材料最常见的应用是在致动器[1]和传感器中。[2] [3]EAP的一个典型特征特性是，它们将在承受大的力的同时经历大量变形。
大多数历史上的致动器都是由陶瓷压电材料制成的。虽然这些材料能够承受很大的力，但它们通常只会变形百分之一。在20世纪90年代末，已经证明一些EAP可以表现出高达380%的应变，这比任何陶瓷致动器都要大得多。[1] EAP最常见的应用之一是在机器人领域开发人工肌肉；因此，电活性聚合物通常被称为人工肌肉。
历史
EAP领域早在1880年就出现了，当时威廉·伦琴设计了一个实验，测试了静电场对天然橡胶条力学性能的影响。[4] 橡胶条固定在一端，另一端连接到一个质量块上。然后将电荷喷射到橡胶上，观察到长度发生了变化。1925年，人们发现了第一种压电聚合物（Electret）。驻极体是通过将巴西棕榈蜡、松香和蜂蜡混合，然后在施加直流电偏压的同时冷却溶液而形成的。然后，混合物将固化成表现出压电效应的聚合物材料。
除外加电流外，对环境条件有反应的聚合物也是这一研究领域的重要组成部分。1949年，Katchalsky等人证明，当胶原丝浸入酸性或碱性溶液中时，它们会随着体积的变化而变化。[5] 发现胶原丝在酸性溶液中膨胀，在碱性溶液中收缩。尽管已经对其他刺激（如pH）进行了研究，但由于其易用性和实用性，大多数研究都致力于开发对电刺激有反应的聚合物，以模拟生物系统。
EAP的下一个重大突破发生在20世纪60年代末。1969年，Kawai证明了聚偏二氟乙烯（PVDF）具有很大的压电效应。[5] 这激发了人们对开发其他具有类似效果的聚合物系统的研究兴趣。1977年，Hideki Shirakawa等人发现了第一种导电聚合物。[6]白川与Alan MacDiarmid和Alan Heeger一起证明了聚乙炔是导电的，通过用碘蒸气掺杂，他们可以将其导电性提高8个数量级。因此，电导率接近于金属的电导率。到20世纪80年代末，许多其他聚合物已被证明具有压电效应或导电性。
在20世纪90年代初，离子聚合物-金属复合材料（IPMCs）被开发出来，并显示出远优于以前的EAP的电活性。IPMC的主要优点是它们能够在低至1或2伏的电压下表现出激活（变形）。[5] 这比以前的任何EAP都要低几个数量级。这些材料的活化能不仅低得多，而且还可以经历更大的变形。IPMCs在任何地方都表现出高达380%的应变，比以前开发的EAP大几个数量级。1.
1999年，Yoseph Bar-Cohen提出了EAP机器人手臂对抗人类挑战的摔跤比赛。[5] 这是一个挑战，世界各地的研究小组竞相设计一种由EAP肌肉组成的机械臂，该机械臂可以在摔跤比赛中击败人类。第一个挑战是在2005年的电活性聚合物致动器和器件会议上举行的。[5]该领域的另一个重要里程碑是，2002年，Eamex在日本生产了第一个商业开发的器件，其中包括作为人工肌肉的EAP。[1] 这种装置是一种能够自主游泳的鱼，它使用EAP肌肉移动尾巴。但实际发展的进展并不令人满意。7.
DARPA在20世纪90年代资助了SRI International的研究，并由Ron Pelrine领导，使用有机硅和丙烯酸聚合物开发了一种电活性聚合物；2003年，该技术被分拆为人工肌肉公司，2008年开始工业化生产。[8]2010年，人工肌肉成为拜耳材料科学的子公司。[9]
类型
EAP可以有几种配置，但通常分为两大类：电介质和离子型。
电介质
电介质EAP是由挤压聚合物的两个电极之间的静电力引起致动的材料。介电弹性体能够承受非常高的应变，并且基本上是一种电容器，当施加电压时，通过允许聚合物因电场而在厚度上压缩和在面积上膨胀来改变其电容。这种类型的EAP通常需要大的致动电压来产生高电场（数百到数千伏），但非常低的电功率消耗。电介质EAP不需要功率来将致动器保持在给定位置。例如电致伸缩聚合物和介电弹性体。
铁电聚合物
铁电聚合物是一组结晶极性聚合物，也是铁电的，这意味着它们保持着永久的极化，可以在外部电场中反转或切换。[10] [11]铁电聚合物，如聚偏二氟乙烯（PVDF），由于其固有的压电响应而被用于声学换能器和机电致动器，并因其固有的热电响应而被用作热传感器。[12]
图1：聚偏二氟乙烯的结构
电致伸缩接枝聚合物
图2：电致伸缩接枝聚合物的卡通。
电致伸缩接枝聚合物由具有分支侧链的柔性主链组成。相邻主链聚合物上的侧链交联并形成晶体单元。然后，主链和侧链晶体单元可以形成极化单体，其中包含带部分电荷的原子，并产生偶极矩，如图2所示。[13]当施加电场时，对每个部分电荷施加力，并导致整个聚合物单元旋转。这种旋转导致聚合物的电致伸缩应变和变形。
液晶聚合物
主链液晶聚合物具有通过柔性间隔物彼此连接的介晶基团。主链内的介晶形成中间相结构，导致聚合物本身采用与中间相结构相容的构象。液晶有序与聚合物构象的直接耦合使主链液晶弹性体引起了人们的极大兴趣。[14] 高取向弹性体的合成导致沿着聚合物链方向具有大应变热致动，温度变化导致独特的机械性能和作为机械致动器的潜在应用。
Ionic
离子EAP是由聚合物内部离子的位移引起致动的聚合物。致动只需要几伏，但离子流意味着致动需要更高的电功率，并且需要能量来将致动器保持在给定位置。离子EAPS的例子是导电聚合物、离子聚合物-金属复合材料（IPMCs）和响应性凝胶。还有另一个例子是Bucky凝胶致动器，其是由夹在由包含单壁碳纳米管的离子液体凝胶组成的两个电极层之间的离子液体组成的聚电解质材料的聚合物支撑层。[15] 这个名字来源于这种凝胶与可以通过过滤碳纳米管制成的纸的相似之处，即所谓的巴克纸。[16]