One-Body Torsional Electrochemical Artificial Muscles by Poly(sodium 4-styrenesulfonate) -Coated Carbon Nanotube

Abstract

Electrochemical torsional artificial muscles have potential to replace traditional electric motors in the field which needs miniaturization. Especially, carbon nanotubes (CNTs) are one of the best materials for artificial muscle driven by electrochemical stimuli due to their remarkable mechanical strength and high electrical conductivity. However, previous studies about CNT muscle could use only half of the whole potential range for actuation because their actuation in positive and negative voltage range offset each other. The ion-exchange polymer, poly (sodium 4-styrenesulfonate)(PSS), makes only positive ion participate to actuation of CNT muscles, so that the actuation occurs in one direction for whole potential range. As a result, it can provide much higher performance of 1.9 times higher than the performance of previous neat CNT torsional muscle. This CNT coated by PSS not only provides high performance but also enables one-body system for electrochemical torsional muscles. From theses advantages, it can be applied to mimicking traditional motors. In this study, a model boat was moved by the PSS-coated CNT muscle. Furthermore, these high performance and minimization for electrochemical torsional muscles are advantages for further application like soft robotics and implantable devices. | 인공 근육은 다양한 분야에서 활용될 수 있기 때문에 활발히 연구되고 있다. 특히 회전형 인공 근육은 기존의 전기 모터를 대체하고 소형화시킬 수 있다는 장점을 가진다. 기존의 탄소나노튜브(CNT)를 사용한 전기 화학적 인공근육은 높은 성능과 전기 화학적 다양한 장점을 보여주었지만 potential of zero charge(PZC)가 사용하는 전압 범위 내에 있어서 사용 가능한 전압 범위가 제한된다. 본 연구에서는 표면에 전하를 띠는 고분자인 폴리(나트륨 4-스티렌 설포네이트)(PSS)를 CNT 표면에 코팅함으로써 PZC를 사용 가능한 전압 범위 밖으로 이동시켰다. 그 결과 더 넓은 전압 범위를 인공 근육 구동에 사용할 수 있게 됨으로써 기존의 CNT를 사용했을 때보다 다양한 지표에서의 훨씬 더 좋은 회전 성능을 보여줄 수 있었다. 또한, 고분자 코팅으로 인하여 기존의 3 전극 시스템에서 2 전극 시스템 구축을 가능하게 함으로써 시스템을 간소화시켰고 전체 시스템을 전해질 속에서 구동할 수 있기 때문에 더 편리한 구동이 가능하였다. 또한, 2 전극 시스템으로 훨씬 더 높은 회전 성능을 얻을 수 있었다. 이러한 장점들을 활용하여 CNT 인공 근육의 무게보다 약 1000배 정도 더 무거운 모형 배의 움직임을 구현하였다. 이러한 시스템 소형화와 성능 증가의 장점을 통해서 향후 회전형 움직임을 필요로 하는 다양한 분야에 활용될 수 있을 것이다.