Estudo do comportamento eletromecânico de músculos artificiais baseados em compósitos de polímero ionomérico e metal por meio da análise de vídeo
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Data de Publicação: | 2020 |
Tipo de documento: | Dissertação |
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Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/12771 |
Resumo: | Ionomeric polymer-metal composites (IPMCs) are smart materials, which have a metal/polymer/metal sandwich-like structure and are capable to deform in response to electrical stimuli and vice versa. In addition, they have low density, flexibility, biocompatibility and low drive voltage. Therefore, they are promising materials for a wide range of applications, such as actuators, sensors, and as artificial muscles. The operating mechanism of these devices consists of the migration of hydrated ions within the polymer's ionomeric channels in response to an electric field generated after the application of a bias between metal electrodes. For this reason, its electromechanical performance depends on several factors, such as electrical stimulus, hydration level of the polymeric membrane and counterions. Therefore, in this work, traditional (electrical, morphological and deformational) and complementary techniques (SEM, TGA and EIS) were used to characterize artificial muscles under different conditions of electrical stimulus (1 to 5 V), relative humidity (30% at 90%) and containing counter ions of varying sizes (H+, Li+, Na+ and K+) and distinct chemical characteristics (1-butyl-3-methylimidazole - BMIM+), in order to elucidate and understand their electromechanical behavior. Also, a method of video analysis was also used in conjunction with a video analysis and modeling tool built on the Java Open Source Physics (OSP) framework, allowing for a more accurate electromechanical behavior analysis. Results showed that the electromechanical behaviour, electric charge storage, and the Coulombic Efficiency of the devices increased with the reduction of counterion ionic radius and increase of the hydration level of the polymeric matrix. The mechanical performance decreased with the number of cycles, showing a limited life cycle for the device. The image analysis proved to be efficient, effective and low-cost technique. |
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Therefore, they are promising materials for a wide range of applications, such as actuators, sensors, and as artificial muscles. The operating mechanism of these devices consists of the migration of hydrated ions within the polymer's ionomeric channels in response to an electric field generated after the application of a bias between metal electrodes. For this reason, its electromechanical performance depends on several factors, such as electrical stimulus, hydration level of the polymeric membrane and counterions. Therefore, in this work, traditional (electrical, morphological and deformational) and complementary techniques (SEM, TGA and EIS) were used to characterize artificial muscles under different conditions of electrical stimulus (1 to 5 V), relative humidity (30% at 90%) and containing counter ions of varying sizes (H+, Li+, Na+ and K+) and distinct chemical characteristics (1-butyl-3-methylimidazole - BMIM+), in order to elucidate and understand their electromechanical behavior. Also, a method of video analysis was also used in conjunction with a video analysis and modeling tool built on the Java Open Source Physics (OSP) framework, allowing for a more accurate electromechanical behavior analysis. Results showed that the electromechanical behaviour, electric charge storage, and the Coulombic Efficiency of the devices increased with the reduction of counterion ionic radius and increase of the hydration level of the polymeric matrix. The mechanical performance decreased with the number of cycles, showing a limited life cycle for the device. The image analysis proved to be efficient, effective and low-cost technique.Compósitos de polímero ionomérico e metal (IPMCs) são materiais inteligentes, que possuem uma estrutura do tipo sanduiche metal/polímero/metal e são capazes de se deformarem em resposta a estímulos elétricos e vice-versa. Além disso, possuem baixa densidade, flexibilidade, biocompatibilidade e baixa tensão de acionamento. Logo, são materiais promissores para uma ampla gama de aplicações, como atuadores, sensores e como músculos artificiais. O mecanismo de operação destes dispositivos consiste na migração de íons hidratados no interior dos canais ionoméricos do polímero em resposta a um campo elétrico gerado após a aplicação de uma diferença de potencial nos eletrodos metálicos. Por este motivo, seu desempenho eletromecânico depende de vários fatores, como intensidade do estímulo elétrico, grau de hidratação da membrana polimérica e contra-íons utilizados. Dessa forma, neste trabalho, foram utilizadas técnicas tradicionais (elétricas, morfológicas e deformacionais) e complementares (MEV, TGA e EIS) de caracterizações de músculos artificiais sob diferentes condições de estímulo elétrico (1 a 5 V), de umidade relativa (30% a 90%) e contendo contra-íons de tamanhos variados (H+, Li+, Na+ e K+) e características químicas distintas (1-butil-3-metilimidazol - BMIM+), visando elucidar o seu comportamento eletromecânico. Também foi utilizado um método de análise de vídeo em conjunto com uma ferramenta de análise e modelagem de vídeo construída na estrutura Java Open Source Physics (OSP), permitindo uma análise mais precisa do comportamento eletromecânico. Os resultados mostraram que a resposta mecânica, o armazenamento de cargas elétricas e a eficiência Coulômbica dos dispositivos aumentaram com a redução do raio iônico do contra-íon e o aumento do nível de hidratação da matriz polimérica. O desempenho mecânico diminuiu com o número de ciclos, mostrando um ciclo de vida limitado para o dispositivo. A técnica de análise de imagens se mostrou eficiente, eficaz e de baixo custo para caracterização de IPMCs.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)FAPESP: 2018/10843-9porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessMateriais inteligentesComportamento eletromecânicoMúsculos artificiaisAnálise de vídeoSmart materialsElectromechanical behaviorArtificial musclesVideo analysisIPMCENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSEstudo do comportamento eletromecânico de músculos artificiais baseados em compósitos de polímero ionomérico e metal por meio da análise de vídeoStudy of the electromechanical behavior of artificial muscles based on ionomeric polymer and metal composites using video analysisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis600600fcf976e4-5d83-44e4-9a3e-fd4cb4cbdbc2reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertação PDF + Carta comprovante.pdfDissertação PDF + Carta comprovante.pdfDissertação PDF + Carta comprovanteapplication/pdf2809600https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12771/1/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20PDF%20%2b%20Carta%20comprovante.pdf49b9c3f31bab4b9640bb2b94150b53c5MD51BCO carta comprovante autoarquivamento.pdfBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfCarta comprovanteapplication/pdf376128https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12771/3/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf9288be1be8112fca0d5b232eb820ebd8MD53CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12771/4/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD54TEXTDissertação PDF + Carta comprovante.pdf.txtDissertação PDF + Carta comprovante.pdf.txtExtracted texttext/plain210757https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12771/5/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20PDF%20%2b%20Carta%20comprovante.pdf.txt9113916388f4e0793f1e0ed898698ca7MD55BCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtExtracted texttext/plain1https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12771/7/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf.txt68b329da9893e34099c7d8ad5cb9c940MD57THUMBNAILDissertação PDF + Carta comprovante.pdf.jpgDissertação PDF + Carta comprovante.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6809https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12771/6/Disserta%c3%a7%c3%a3o%20PDF%20%2b%20Carta%20comprovante.pdf.jpg0b29a056570ce350b653e3fee841bc0fMD56BCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg12041https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/12771/8/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento.pdf.jpg92ca5daa52a6851ae13bf3a39d7c6b33MD58ufscar/127712023-09-18 18:31:55.174oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/12771Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:31:55Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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