基于电活性聚合物的释药机构的实验与仿真分析开题报告

1. 研究目的与意义

电活性聚合物是一种智能材料，是由电性能和力学性能复合产生的一类极具潜力的功能复合材料。电活性聚合物的一个典型特性是能够在维持巨大受力作用的同时进行大幅度的变形。早期大多数执行器是由压电陶瓷材料制作。虽然这些材料可以承受大量的作用力，但它们的变形能力则十分有限。在1990年末，一些电活性聚合物所演示的形变可达到380%。导电聚合物在仿生机器人和生物医学设备中具有广泛的应用前景，甚至在某些方面，导电聚合物和自然肌肉极为相似。因此，电活性聚合物也常被用作人工肌肉的代名词。聚吡咯，聚苯胺，聚噻吩是三种最常见的导电聚合物。科学家预言，电活性聚合物的开发和应用将成为材料科学发展史上的重大革命。

导电聚合物同时具备了生物肌肉，IPMC及SMA的一些特性，并且形变量相对其他智能材料较大。因此导电聚合物作为一类极具发展潜力的功能型复合材料，广泛应用于仿生机器人，人工假肢，细胞诊断，传感器等方面。导电聚合物同时也具备①质轻，体积小，结构简单②柔韧性和生物相容性好③能耗小，响应时间长，驱动电压低④可在空气或者水溶解中操作⑤应用大，应变高，伸缩率大，重复精度高⑥多智能化，微型化发展潜力大⑦疲劳寿命长，抗电磁干扰，运动无噪声等特点。当今，应用于释药机构的智能材料主要有两种：智能水凝胶和电活性聚合物。而针对基于微机电系统（MEMS）技术的释药机构，要能实现电能转化为机械能，通常采用智能技术EPA与MEMS相结合。整合两者的优势，理论上可以实现与外界的信息交换，又可以根据环境变化进行响应型释药。但当今智能控释体系缺乏有机结合的传感环节，无法构成封闭的自调节系统，严重阻碍了给药系统的植入式应用。除此之外，现在有的释药机构所需电池数量极多，这将会增加系统的体积和质量，同时也可能污染环境。因此需要开发新型复合材料从环境中获得可持续的能量来源。

2. 国内外研究现状分析

随着科学技术的发展，智能释药系统以及走进了我们的生活，改变着药物治疗方式，让药物治疗变得更加轻松，精确，高效和安全。而导电聚合物的研究也成了科学领域的焦点。

国外概况 上世纪70年代，日本科学家h.shirakawa教授和美国科学家a.g..macdiarmid,a.j.heeger教授一同验证了经掺杂后的聚乙炔膜可以提高几个数量级，且约为金属铜的一半，实现了聚合物到绝缘体再到导体的跨度，从而改变了有机高分子塑料一直被认为是电绝缘体的传统观念，激起了科学家对导电聚合物的兴趣，也因这一发现使他们共同获得了诺贝尔化学奖。大量的研究表明，各种共轭聚合物经掺杂后都能变为具有不同导电性能的导电聚合物，具有代表性的共轭聚合物有聚乙炔，聚吡咯，聚苯胺，聚噻吩，聚对苯撑乙烯，聚对苯等。1984年，burgmayer和murray首次提出了在电场作用下，导电聚合物内部离子迁移可引起体积改变。而美国加州大学的弗雷德.武德尔化学教授及其同事开发了将聚亚苯基亚乙烯（ppv）导电聚合物加工成理想型材的方法。这些进展使得导电聚合物更接近商品。

国内概况 同济大学陈明、林桂娟等基于非线性连续介质力学理论，通过分析moone-rivlin、yeoh等模型函数，推导出了电活性聚合物在不同形变状态下的力学性能模型，并通过试验分析了聚合物在静电场中机械能转化为电能的内部机理。安逸、熊克等提出了一种用于描述ipmc材料驱动特性及传感特性的力学耦合模型，且通过此模型较好地计算出了ipmc材料的力学及电学特性。南京航空航天大学于敏等通过分析三种ipmc式样基体的外形特征和表面电阻、电流等特性，设计出一种可将力与位移整合在一起的性能测试平台，使ipmc式样可在空气或者水介质中同时工作。陈花玲等针对ipmc材料和de材料分别研究其物理模型和机电耦合特性，并且对两种材料在无阀微泵和微创手术臂上的应用做了探索研究。韩高义、石高全等制备出了【ppy/pth/ppy】和【ppy/ppy】两种弯曲型导电聚合物，通过实验对比分析，得出了三层膜比两层膜的承载能力高、弯曲角度大和移动速度快等特征，并且进一步验证了弯曲驱动消耗的能量随着载荷、电压及电流的增加呈线性增长。并且韩高义通过制备出的三层弯曲型导电聚合物还验证了聚合物制动器顶端可以承受力，在1.0v的电压下，0.4mmg的制动器可以抬起10mg的重物，且可往复摆动的角度为90。

3. 研究的基本内容与计划

本项目根据电活性聚合物驱动器的工作原理，参考材料固有参数和驱动器尺寸，结合实验建立驱动器的电机械转换模型，并且通过实验验证驱动器模型的准确性。

计划：1-2周撰写开题报告

3-4周设计释药机构的结构，进行建模仿真

4. 研究创新点

以实验与仿真的方式验证了基于电活性聚合物的驱动器模型的准确性。