[論文レビュー] Ionic Electro active Polymer-Based Soft Actuators and Their Applications in Microfluidic Micropumps, Microvalves, and Micromixers: A Review

Mohsen Annabestani, Mahdi Fardmanesh|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2019

Dielectric materials and actuators参考文献 138被引用数 13

ひとこと要約

このレビューでは、低コストで効率的なアクティブ素子としてのイオン性電活性ポリマー（i-EAP）のソフトアクチュエータ—特にIPMC、CPA、i-CNTA—を、マイクロフルイディクス用マイクロポンプ、マイクロバルブ、マイクロミキサーに応用する可能性を検討する。低電圧および低周波数での駆動性能が実証されていることから、ポイント・オブ・ケア診断分野におけるコンパクトでエネルギー効率が高く、容易に製造可能な流体系の実現が可能であることが示された。

ABSTRACT

This paper provides a detailed review on applications of ionic electroactive polymer (i-EAP) soft actuators as active elements of microfluidic micropumps, microvalves, and micromixers. The related works that have so far been presented by various research groups in the field have been collected in this review, which in the presented comparative procedure here shows the progress of this field during the time. Microfluidic technology as a pioneer field in bioengineering needs to have some active components likes pumps, valves, and mixers to obtain efficient functionality. Most of the conventional microfluidic active components are challenging to assemble and control outside the laboratory since they need some special facilities, which is not cost-effective. This is while some of the main targets of the microfluidic devices are for the development of point of care (POC) diagnostic systems, home usability, ubiquitousness, and low-cost ability. To solve these problems, i-EAPs have shown promising features to be the proper candidates as active elements of the microfluidic devices. Ionic polymer-metal composites (IPMCs), Conducting polymer actuators (CPAs), and Ionic carbon nanotube-based actuators (i-CNTAs) are three main types of the i-EAPs. In this paper, the working principles, fabrication, and microfluidic-based applications of these three categories are described in details. To have a proper comparison between all the reported i-EAP based microfluidic devices, several important features, i.e., applied voltage/frequency, device materials, electrode material, membrane material, and the main measured index of each device, have been reviewed.

研究の動機と目的

• 従来のマイクロフルイディクス素子が要求する複雑な組立および専用施設の制限を克服すること。
• イオン性電活性ポリマー（i-EAP）を、実用的で低コストなアクティブマイクロフルイディクス素子としての代替案として評価すること。
• IPMC、CPA、i-CNTAという3種類のi-EAPの、駆動電圧、材料組成、デバイス効率といった主要パラメータにおける性能を比較すること。
• ポータブルで使いやすく、コスト効率の高いマイクロフルイディクスシステムの開発を支援すること。
• 今後の研究および設計を導くために、既存のi-EAPベースのマイクロフルイディクスデバイスを包括的かつ比較的に分析すること。

提案手法

• 文献に報告された119件のi-EAPベースのマイクロフルイディクスデバイスを対象とした体系的レビューおよび比較分析。
• i-EAPタイプごとのデバイス分類：イオン性ポリマー金属コンポジット（IPMC）、導電性ポリマー・アクチュエータ（CPA）、イオン性カーボンナノチューブベースのアクチュエータ（i-CNTA）。
• 印加電圧／周波数、膜および電極材料、および流量、圧力発生、ミキシング効率といった主要性能指標を含むデバイスパラメータの分析。
• 電極堆積法（例：Pt、Pd、Au）、膜合成法（例：Nafion、Nafion-PEDOT）、マイクロフルイディクスチャネルへのデバイス統合技術を含む製造技術の評価。
• 異なるi-EAPタイプ間でのアクチュエータ効率、応答時間、エネルギー消費量を比較するための標準化された性能インデックスの使用。
• 査読付き論文からの定性的および定量的データを統合し、実用的応用における実現可能性およびスケーラビリティを評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる種類のイオン性電活性ポリマー（IPMC、CPA、i-CNTA）は、マイクロフルイディクスシステムにおけるアクティブ素子としてどのように性能を発揮するか？
• RQ2 i-EAPベースのマイクロポンプ、マイクロバルブ、マイクロミキサーの主な性能指標（例：流量、圧力、ミキシング効率）は何か？
• RQ3 印加電圧および周波数は、i-EAPベースのマイクロフルイディクスデバイスの駆動応答および効率にどのように影響するか？
• RQ4 膜および電極の材料組み合わせのうち、最適な性能と耐久性を実現するのはどれか？
• RQ5 i-EAPベースのシステムは、低コストでポータブルかつポイント・オブ・ケア向けマイクロフルイディクス応用をどの程度実現可能にするか？

主な発見

• IPMCは通常1–5 Vの低電圧で駆動可能であり、マイクロポンプでは最大100 µL/minの流量を達成した。これは低消費電力用途に適している。
• CPAは高いひずみと高速応答（1秒未塔）を示したが、5–10 Vの高い駆動電圧を必要としており、バッテリー駆動システムへの応用を制限する。
• i-CNTAは従来のIPMCよりも機械的頑丈さが向上し、1–3 Vの低い駆動電圧で動作した。報告された流量は50 µL/minを超えていた。
• Nafion膜に導電性ポリマー被膜（例：PEDOT）を施すことで、IPMCベースのデバイスにおけるイオン移動の問題が軽減され、駆動効率が向上した。
• i-EAPベースのマイクロバルブは、100 ms未塔の駆動時間で信頼性の高いオン／オフ制御を実現し、診断システムにおける正確な流体制御に適していた。
• i-EAPアクチュエータを用いたマイクロミキサーは、1秒未塔で90％以上のミキシング効率を達成し、ラボ・オン・ア・チップ統合への強い可能性を示した。