电活性聚合物（Electroactive polymers）或EAP是在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执行器和传感器。 EAP的典型特征是它们在承受大的力的同时会经历大量的变形。
大多数历史致动器由陶瓷压电材料制成。 虽然这些材料能够承受很大的力，但它们通常只能变形一小部分。 在20世纪90年代后期，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多得多。 EAP最常见的应用之一是人造肌肉开发中的机器人领域; 因此，电活性聚合物通常被称为人造肌肉。
历史
EAP的领域出现在1880年，当时WilhelmRöntgen设计了一个实验，在这个实验中他测试了静电场对天然橡胶条的机械性能的影响。 橡胶条一端固定，另一端固定在一块上。 然后将电荷喷射到橡胶上，观察到长度改变了几厘米。 MP Sacerdote在1899年通过制定关于应用电场的应变响应的理论对Roentgen的实验进行了跟踪。在1925年发现了第一个压电聚合物（驻极体）。 通过组合巴西棕榈蜡，松香和蜂蜡形成驻极体，然后在施加直流电偏压时冷却溶液。 然后该混合物将固化成具有压电效应的聚合物材料。
除了施加电流之外，响应环境条件的聚合物也是该研究领域的很大一部分。 1949年Katchalsky等人。 证明当胶原长丝浸入酸性或碱性溶液中时，它们会随着体积的变化而反应。 发现胶原长丝在酸性溶液中膨胀并在碱溶液中收缩。 尽管已经研究了其他刺激物（例如pH），但由于其易于实用性，大多数研究致力于开发响应电刺激以模拟生物系统的聚合物。
EAP的下一个重大突破发生在20世纪60年代后期。 1969年Kawai证明聚偏二氟乙烯（PVDF）具有很大的压电效应。 这引发了对开发其他聚合物系统的研究兴趣，这些系统将显示出类似的效果。 1977年，Hideki Shirakawa等人发现了第一种导电聚合物。 Shirakawa以及Alan MacDiarmid和Alan Heeger证明聚乙炔是导电的，并且通过用碘蒸气掺杂，它们可以将其电导率提高8个数量级。 因此，电导率接近于金属的电导率。 到20世纪80年代后期，许多其他聚合物已显示出具有压电效应或被证明是导电的。
在20世纪90年代早期，离子聚合物 – 金属复合材料（IPMCs）被开发出来并显示出远远优于以前的EAP的电活性。 IPMC的主要优点是它们能够在低至1或2伏的电压下显示激活（变形）。 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要低得多，而且还会发生更大的变形。 IPMC显示出高达380％的应变，比先前开发的EAP大几个数量级。
1999年，Yoseph Bar-Cohen提出了EAP机器人手臂对抗人类挑战的Armwrestling Match。 这是一个挑战，世界各地的研究小组竞相设计一个由EAP肌肉组成的机器人手臂，可以在手臂摔跤比赛中打败人类。 第一个挑战是在2005年的电活性聚合物执行器和设备会议上举行。该领域的另一个重要里程碑是，第一个商业开发的设备，包括EAP作为人造肌肉，于2002年由日本的Eamex生产。 这种装置是一种能够独立游动的鱼，使用EAP肌肉移动尾巴。 但实际发展的进展并不令人满意。
由DARPA资助的研究于20世纪90年代在SRI International以Ron Pelrine为首，开发了一种使用有机硅和丙烯酸聚合物的电活性聚合物; 该技术于2003年分拆到Artificial Muscle公司，从2008年开始工业生产。2010年，Artificial Muscle成为拜耳材料科技的子公司。
类型
EAP可以有几种配置，但通常分为两大类：电介质和离子。
电介质
介电EAP是其中致动是由挤压聚合物的两个电极之间的静电力引起的材料。 介电弹性体能够承受非常高的应变，并且基本上是通过允许聚合物压缩厚度并且由于电场而在面积上扩展而在施加电压时改变其电容的电容器。 这种类型的EAP通常需要大的致动电压以产生高电场（数百至数千伏），但是电功率消耗非常低。 介电EAP不需要电源就能将执行器保持在给定位置。 实例是电致伸缩聚合物和介电弹性体。
铁电聚合物
铁电聚合物是一组也是铁电的结晶极性聚合物，这意味着它们保持永久的电极化，可以在外部电场中反转或切换。 铁电聚合物，例如聚偏二氟乙烯（PVDF），由于其固有的压电响应而被用于声换能器和机电致动器，并且由于其固有的热电响应而被用作热传感器。
电致伸缩接枝聚合物
电致伸缩接枝聚合物由具有支化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形成极化单体，其包含具有部分电荷的原子并产生偶极矩，如图2所示。当施加电场时，对每个部分电荷施加力并引起整体旋转聚合物单元。 该旋转引起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。 骨架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偶联使得主链液晶弹性体具有很大的趣味性。 高取向弹性体的合成导致沿聚合物链方向具有大的应变热致动，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。
离子的
离子EAP，其中致动是由聚合物内的离子置换引起的。 致动仅需要几伏特，但离子流意味着致动所需的更高电功率，并且需要能量以将致动器保持在给定位置。 离子EAPS的实例是导电聚合物，离子聚合物 – 金属复合物（IPMC）和响应性凝胶。 又一个例子是Bucky凝胶致动器，其是聚合物支撑的聚电解质材料层，其由夹在两个电极层之间的离子液体组成，所述两个电极层由包含单壁碳纳米管的离子液体凝胶组成。 这个名字来源于凝胶与纸张的相似性，可以通过过滤碳纳米管，即所谓的巴克纸。
电流变液
电流变流体通过施加电场改变溶液的粘度。 流体是聚合物在低介电常数液体中的悬浮液。 随着大电场的施加，悬浮液的粘度增加。 这些流体的潜在应用包括减震器，发动机支架和消声器。
离子聚合物 – 金属复合材料
离子聚合物 – 金属复合材料由薄的离子膜组成，其表面镀有贵金属电极。 它还具有阳离子以平衡固定在聚合物主链上的阴离子的电荷。 它们是非常活跃的致动器，在低施加电压下显示出非常高的变形并且显示出低阻抗。 离子聚合物 – 金属复合材料通过阳离子反离子和施加电场的阴极之间的静电吸引作用，示意图如图3所示。这些类型的聚合物显示出生物模拟用途的最大前景，因为胶原纤维基本上是由天然带电离子聚合物组成。 Nafion和Flemion是常用的离子聚合物金属复合材料。
刺激敏感的凝胶
刺激响应凝胶（水凝胶，当溶胀剂是水溶液时）是一种具有体积相变行为的特殊类型的可溶胀聚合物网络。 这些材料通过对某些物理（例如电场，光，温度）或化学（浓度）刺激的非常小的改变来可逆地改变它们的体积，光学，机械和其他性质。 这些材料的体积变化通过膨胀/收缩发生并且是基于扩散的。 凝胶提供固态材料体积的最大变化。 结合与微制造技术的出色兼容性，特别是刺激响应水凝胶对具有传感器和致动器的微系统的兴趣日益增加。 目前的研究和应用领域是化学传感器系统，微流体和多模成像系统。
介电和离子EAP的比较
介电聚合物能够在DC电压下激活时保持其诱导位移。 这允许将介电聚合物考虑用于机器人应用。 这些类型的材料还具有高机械能密度并且可以在空气中操作而不会显着降低性能。 然而，介电聚合物需要非常高的激活场（> 10V /μm），其接近击穿水平。
另一方面，离子聚合物的活化仅需要1-2伏。 然而，它们需要保持湿润，尽管一些聚合物已经被开发为独立的包封活化剂，这允许它们在干燥环境中使用。 离子聚合物也具有低机电耦合。 然而，它们是生物模拟装置的理想选择。
描述
虽然可以表征电活性聚合物的方法有很多种，但这里只讨论三种：应力 – 应变曲线，动态机械热分析和介电热分析。
应力 – 应变曲线
应力应变曲线提供有关聚合物机械性能的信息，例如聚合物的脆性，弹性和屈服强度。 这是通过以均匀的速率向聚合物提供力并测量所产生的变形来完成的。 图4显示了这种变形的一个例子。这种技术可用于确定材料的类型（脆性，韧性等），但它是一种破坏性技术，因为应力会增加，直到聚合物破裂。
动态机械热分析（DMTA）
动态力学分析都是一种非破坏性技术，可用于理解分子水平的变形机理。 在DMTA中，向聚合物施加正弦应力，并且基于聚合物的变形，获得弹性模量和阻尼特性（假设聚合物是阻尼谐振子）。 弹性材料吸收应力的机械能并将其转化为势能，以后可以回收。 理想的弹簧将使用所有潜在的能量来恢复其原始形状（无阻尼），而液体将使用所有潜在的能量流动，永远不会返回其原始位置或形状（高阻尼）。 粘弹性聚合物将表现出两种类型的行为的组合。
介电热分析（DETA）
DETA类似于DMTA，但是代替交替的机械力，施加交变电场。 施加的场可以导致样品的极化，并且如果聚合物包含具有永久偶极子的基团（如图2所示），它们将与电场对准。 可以根据振幅的变化测量介电常数并将其分解为介电存储和损耗分量。 也可以通过跟随电流来测量电位移场。 一旦移除场，偶极子将放松回到随机取向。
应用
由于易于加工许多聚合物材料，EAP材料可以很容易地制成各种形状，使它们成为非常通用的材料。 EAP的一个潜在应用是它们可以潜在地集成到微机电系统（MEMS）中以生产智能执行器。
人造肌肉
作为最具前瞻性的实践研究方向，EAP已被用于人工肌肉。 它们模仿具有高断裂韧性，大致动应变和固有振动阻尼的生物肌肉的操作的能力引起了该领域科学家的注意。
触觉显示
近年来，出现了“用于可刷新盲文显示器的电活性聚合物”以帮助视力受损者快速阅读和计算机辅助通信。 该概念基于使用以阵列形式配置的EAP致动器。 EAP薄膜一侧的电极排和另一侧的电极激活阵列中的各个元件。 每个元件都安装有盲文点，并通过在所选元件的厚度上施加电压来降低，从而导致局部厚度减小。 在计算机控制下，将激活点以创建表示要读取的信息的高点和低点的触觉模式。
虚拟表面的视觉和触觉印象通过高分辨率触觉显示器显示，即所谓的“人造皮肤”（图6）。 这些单片装置由基于刺激响应水凝胶的数千个多模调制器（致动器像素）阵列组成。 每个调制器都能够单独改变其传输，高度和柔软度。 除了它们可能用作视觉障碍的图形显示器之外，这种显示器作为触摸板和控制台的可自由编程键是有趣的。
微流控
EAP材料具有巨大的微流体潜力，例如药物输送系统，微流体装置和芯片实验室。 文献中报道的第一种微流体平台技术基于刺激响应凝胶。 为了避免水的电解，基于水凝胶的微流体装置主要基于具有较低临界溶解温度（LCST）特性的温度响应性聚合物，其由电热界面控制。 已知两种类型的微型泵，扩散微型泵和位移微型泵。 基于刺激响应性水凝胶的微型阀显示出一些有利的性质，例如颗粒耐受性，无泄漏和突出的耐压性。 除了这些微流体标准组件外，水凝胶平台还提供化学传感器和一类新型微流体组件，即化学晶体管（也称为恒化器阀）。 如果达到某种化学品的阈值浓度，这些装置调节液体流动。 化学晶体管构成微机电流体集成电路的基础。 “化学集成电路”专门处理化学信息，能源自供电，自动运行，能够进行大规模集成。
另一种微流体平台基于离聚物材料。 由该材料制成的泵可提供低电压（电池）操作，极低的噪声特征，高系统效率和高度精确的流速控制。
另一种可以受益于EAP执行器独特性能的技术是光学膜。 由于它们的低模量，致动器的机械阻抗，它们与普通的光学膜材料很好地匹配。 此外，单个EAP致动器能够产生从微米到厘米的位移。 因此，这些材料可用于静态形状校正和抖动抑制。 这些致动器还可用于校正由于大气干扰引起的光学像差。
由于这些材料具有优异的电活性，EAP材料在仿生机器人研究，应力传感器和声学领域具有潜力，这将使EAP在不久的将来成为一个更具吸引力的研究课题。 它们已被用于各种致动器，例如人形机器人中的面部肌肉和手臂肌肉。
未来发展方向
EAP领域远未成熟，这留下了一些仍需要解决的问题。 通过设计不透水的表面，应该改善EAP的性能和长期稳定性。 这将防止EAP中包含的水蒸发，并且当EAP浸没在水性环境中时，还可以减少正抗衡离子的潜在损失。 应使用产生无缺陷导电表面的方法探索改善的表面电导率。 这可以使用金属气相沉积或其他掺杂方法来完成。 还可以使用导电聚合物来形成厚导电层。 由于在EAP复合材料中产生热量，因此需要耐热EAP以允许在较高电压下操作而不损坏EAP的内部结构。 开发不同配置（例如，纤维和纤维束）的EAP也是有益的，以便增加可能的运动模式的范围。