Dr. Levent Çetin
Yardımcı Doçent@Mekatronik Mühendisliği,İKÇÜ

Özet:

Akıllı malzemeler kategorisine giren iyonik polimer-metal kompozitler, dışarıdan uygulanan bir elektrik alanı sonucu, içerisinde bulunan iyonların hareketine bağlı olarak şekil değiştirirler. İyonik polimer-metal kompozitlerin yapıları, iyonik polimer ve bu polimerin iki yüzeyine bir kaç mikron kalınlığında kaplanan metal elektrotlardan oluşmaktadır. İyonik polimerler yumuşak bir yapıya sahip olmaları, düşük voltaj altında çalışmaları ve büyük deformasyon göstermelerinden dolayı yapay kas ve birçok biyomimetik uygulamalarda sensör ve aktüatör olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda, İyonik polimer-metal kompozitlerin aktüatör olarak kullanılması üzerine çalışmalar artmış olmasına rağmen bunların kontrolü ve biyomimetik uygulamalarda kullanılması üzerine yapılan çalışmalar yok denecek kadar az olduğu yapılan literatür taramasından görülmektedir. Bu kompozitlerden üretilen aktüatörlerin kontrolü için kompozitlerin elektroaktif karakterizasyonu ve matematiksel modellerinin çıkarılması gerekmektedir. Bu elemanlar zamana bağlı olarak değişen ve büyük oranda doğrusal olmayan bir karakteristiğe sahiptirler. Bu nedenle aktüatörlerin tek tek ve bir bütün halinde kararlı çalışmalarına olanak sağlayacak kontrol algoritmalarının geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. ISI Web of Science kapsamındaki dergilerde yayınlanan makalelere bakıldığında; iyonik polimer-metal kompozit aktüatör kontrolü üzerine yapılan çalışmaların ilkinin 2003 yılında yapıldığı ve günümüze kadar yapılan çalışmaların 29 adet olduğu görülmüştür (Topic=(ionic polymer metal composite) and Title=(control) and Title=(actuator)). Biyomimetik uygulamalarda kullanılan aktüatörlerin kontrolü üzerine yapılan ilk çalışmaların ise 2005 yılında yayınlandığı ve günümüze kadar yayınlanan makalelerin yalnızca 5 adet olduğu belirlenmiştir (Topic=(ionic polymer metal composite) and Title=(control) and Title=(actuator)). Bu proje kapsamında geliştirilecek kontrol algoritmaları ile tek bir aktüatörün ve biyomimetik uygulamalarda kullanılacak birden fazla aktüatörün birlikte kararlı ve istenen bir hareketi yapmasının sağlanması bu projenin en önemli özgün değerini oluşturmaktadır. Bu çalışma kapsamında iyonik polimerlerin karakterizasyonları (kimyasal, termal ve mekanik karakterizasyon) yapıldıkdan sonra bu polimerlerin yüzeyleri termal buharlaştırma yöntemi kullanarak metal kaplanarak iyonik polimer-metal kompozitler (IPMK) üretilecektir. Üretilecek bu kompozitlerin mekanik, yapısal ve elektriksel karakterizasyonlarından sonra bu kompozitlerden temel aktüatör elemanları geliştirilerek elektromekanik özellikleri tespit edilecektir. Takip eden aşamada bu yapı elemanı için bilgisayar benzeşimi kullanılarak kontrol algoritması geliştirilip, bu elemanın kontrollü hareket kabiliyeti değerlendirilecektir. Çalışmanın bir sonraki aşamasında aktüatör elemana kumanda sinyallerinin temassız iletimi için bir ışın kaynağı ile tahrik mekanizması entegre edilecektir. Bu işlem sonucunda üzerine yansıtılan ışın şiddetine bağlı olarak hareket eden bir aktüator geliştirilecektir. Çalışmanın son aşamasında ise geliştirilen ışın ile temassız hareket yapabilen yapı elemanı kullanılarak bir biyomimetik doğrusal hareket sağlayıcı prototipi geliştirilerek performansı belirlenecektir. Bu projenin diğer bir özgünlüğü ise bir aktüatörün temassız olarak hareketinin kontrol edilebilecek olmasıdır.

Abstract:

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 structures are formed from ionic polymers and a few microns 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. Although research activities of the ionic polymer-metal composite as an actuator element have been increased in recent years, the research on the control of these material and their biomimetic applications are studied very little in the literature. In order to control Ionic polymer-metal composite actuators, electroactive characterization techniques and developing mathematical modeling have to be studied very carefully. Because they have time varying and highly nonlinear characteristics, developing control algorithms to provide stable operation for both individual and whole operation of actuators becomes very important in recent years. There has been very limited number of scientific papers in the literatures since 2001. First paper about actuator was published in 2001 and from that time only 29 paper have been published in SCI journals (Topic=(ionic polymer metal composite) and Title=(control) and Title=(actuator)). The first study on control of actuator for biomimetic applications was also published in 2005 and from now there have been only 5 scientific paper published (Topic=(ionic polymer metal composite) and Title=(control) and Title=(actuator)). In this proposed project, it will be developed control algorithms for a single actuator motions and motions with several actuators worked together and stable. In this study, after the characterization of ionic polymers (chemical, thermal and mechanical characterization), surfaces of them are coated with thin layer of metal film by using thermal evaporation method to complete the ionic polymer-metal composites (IPMC) structures. The IPMC structures will be characterized first various techniques such as mechanical, structural and electrical. Then basic actuator elements will be produced, then electromechanic properties of them will also be characterized. The next step, computer control algorithm will be developed and then applied to control the motion ability of the basic actuator elements. İn the following stage of the study, light source and driver mechanism will be integrated to the actuator element in order to transmit the control signal contactless way. The aim of this stage will be to produce the actuator elements which its motion has been depended on light intensity. İn the last step, biomimetic linear motion provider prototype will be developed by using basic actuator element controlled with light intensity and contactless way. This contactless control of actuator motion is another original aspect of this study.