[论文解读] 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 13

一句话总结

本综述探讨了离子电活性聚合物（i-EAP）软致动器——特别是IPMC、CPA和i-CNTA——作为微流控微量泵、微阀和微混合器的低成本、高效主动元件的潜力。通过在低电压和低频下实现显著的致动性能，展示了其在即时检测诊断中的应用前景，可实现紧凑、节能且易于制造的流体系统。

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.

研究动机与目标

• 解决传统微流控元件需要复杂组装和专用设施的局限性。
• 评估离子电活性聚合物（i-EAPs）作为可行的低成本替代方案，用于主动微流控元件。
• 比较三种i-EAP类型（IPMC、CPA和i-CNTA）在致动电压、材料组成和器件效率等关键参数上的性能表现。
• 支持便携式、用户友好且成本低廉的微流控系统在即时检测（POC）应用中的开发。
• 提供现有基于i-EAP的微流控装置的全面比较分析，以指导未来的研究与设计。

提出的方法

• 系统性回顾和比较分析文献中报道的119个基于i-EAP的微流控装置。
• 按i-EAP类型对装置进行分类：离子聚合物-金属复合材料（IPMC）、导电聚合物致动器（CPA）和基于离子碳纳米管的致动器（i-CNTA）。
• 分析装置参数，包括施加电压/频率、膜和电极材料，以及关键性能指标如流量、压力生成和混合效率。
• 评估制造技术，包括电极沉积（如Pt、Pd、Au）、膜合成（如Nafion、Nafion-PEDOT）以及器件集成到微流控通道中的方法。
• 使用标准化性能指数比较不同i-EAP类型在致动效率、响应时间和能耗方面的表现。
• 整合同行评审研究中的定性和定量数据，以评估其在实际应用中的可行性与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同类型的离子电活性聚合物（IPMC、CPA、i-CNTA）在微流控系统中作为主动元件的性能表现如何？
• RQ2 基于i-EAP的微量泵、微阀和微混合器的关键性能指标（如流量、压力、混合效率）是什么？
• RQ3 施加电压和频率如何影响基于i-EAP的微流控装置的致动响应和效率？
• RQ4 哪些材料组合（膜材、电极）能在i-EAP微流控元件中实现最佳性能和耐久性？
• RQ5 基于i-EAP的系统在多大程度上能够实现低成本、便携式和即时检测的微流控应用？

主要发现

• IPMC在低电压下表现出致动性能（通常为1–5 V），在微量泵中流量最高可达100 µL/min，适用于低功耗应用。
• CPA表现出更高的应变和更快的响应时间（亚秒级致动），但需要更高的致动电压（5–10 V），限制了其在电池供电系统中的应用。
• i-CNTA相比传统IPMC表现出更优的机械鲁棒性，且致动电压更低（1–3 V），报告的流量超过50 µL/min。
• 在Nafion膜上涂覆导电聚合物（如PEDOT）可提高IPMC基器件的致动效率，并减少离子迁移问题。
• 基于i-EAP的微阀实现了可靠的开关控制，致动时间低于100 ms，适用于诊断系统中精确的流体控制。
• 采用i-EAP致动器的微混合器在1秒内实现超过90%的混合效率，显示出在芯片上实验室集成中的强大潜力。