2013 S control posicionamiento de actuadores 22022013 a

Protocolo UAEM 2013 Diseño de un sistema de control para el posicionamiento de actuadores

electroquimiomecánicos lineales

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Universidad Autónoma del Estado de México

Facultad de Ingeniería UAEM

Con la Asesoría y participación de:

Universidad Politécnica de Cartagena UPCT Grupo de Electroquímica y Materiales Inteligentes

Centro de Investigación Científica de Yucatán CICY

TÍTULO:

Diseño de un sistema de control para el posicionamiento de actuadores electroquimiomecánicos lineales

PALABRAS CLAVE: Actuadores electroquimiomecánicos, músculos artificiales, control de polímeros electroactivos, sistemas de control de posición.

Responsable: Dra. Laura Luz Valero Conzuelo

FIUAEM

Co- Responsable Dr. Eduardo Rodríguez Angeles

FIUAEM

Co-Responsable Asesor-Externo Dr. Toribio Fernández Otero

UPCT CEMI

Febrero 2013.



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JUSTIFICACION: En la búsqueda de nuevas alternativas y con el interés de dar aplicaciones viables a los denominados materiales inteligentes surge el interés de realizar investigación para el diseño de un sistema de control con dispositivos actuadores construidos con materiales poliméricos electro-conductores. El grupo de investigación de este proyecto cuenta con la experiencia para la síntesis y caracterización de películas poliméricas electroconductoras de base polipirrol, con buenas propiedades; a los resultados obtenidos se les ha dado la difusión científica correspondiente. Una de las aplicaciones con las que se ha experimentado es con actuadores electroquimiomecánicos, considerando una de sus potencialidades los niveles de operación y capacidades sensoras actuadoras con los que operan, por lo que se les ha denominado músculos artificiales. Considerándose de importancia científica-tecnológica buscar una alternativa de control de posicionamiento de estos dispositivos, considerando que trabajan bajo el principio de procesos farádicos. El grupo de investigación tiene interés de una etapa posterior poder aplicarlos a diferentes áreas del conocimiento, enfocándonos primeramente a micro-electrónica con el diseño de microactuadores (micro-robótica). PROBLEMÁTICA U OPORTUNIDAD DE DESARROLLAR O ATENDER (c): La formación de un centro especialista en el área micro-robótica con actuadores que transforman la energía química a eléctrica y posteriormente a mecánica ( electroquimiomecanica) abre las puertas a la UAEM a incurrir a la investigación básica y aplicada en el desarrollo de actuadores poliméricos sintetizados electroquímicamente así como potencializar sus propiedades intrínsecas y sus aplicaciones. Dados los altos avances tecnológicos y la necesidad de buscar alternativas de investigación en la creación de dispositivos más eficientes y de alta tecnología, nos vemos en la necesidad de crear y formar especialistas en áreas tan importantes como son los materiales electroactivos a base de polímeros, el trabajar en un grupo multidisciplinario abre la oportunidad de que cada especialista ayude al diseño de nuevos dispositivos con estos materiales. El diseño de un sistema de control de posicionamiento de dispositivos lineales permitirá la aplicación de estos como microactuadores, con altas potencialidades en: micro-electrónica, microrobótica, músculos y nervios artificiales, abriendo la posibilidad de ser pioneros a nivel Nacional en el desarrollo de micro-actuadores poliméricos.



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El presente trabajo reúne a especialistas que desarrollarán cada una de las etapas de manera multidisciplinaria para implementar un sistema de control de posicionamiento a actuadores electroquimiomecánicos. El CA de electrónica y sistemas de la UAEM con especialistas en diferentes ramas de la ingeniería se compromete a cumplir y establecer nuevas metas de realizar tecnología de punta en esta área del conocimiento. Una de las metas principales de este proyecto es el desarrollo del proyecto planteado con especialistas en diferentes áreas de la ingeniería e introducir estudiantes de nivel licenciatura al diseño e implementación de un sistema de control para el posicionamiento de actuadores electroquimiomecánicos lineales. También se propone como meta que los expertos en esta área difundan sus conocimientos y experiencias capacitando a los investigadores que colaboran en este proyecto, así como a los alumnos, considerando que todos ellos tienen la formación y herramientas para desarrollarse en esta área. Planteando que los estudiantes que participan elaboren su tesis y puedan continuar con estudios doctorales afines, induciendo a la formación de posibles nuevos investigadores. ANTECEDENTES: El inminente desarrollo actual y la necesidad de búsquedas alternativas en materiales para el desarrollo de nuevos y más eficientes productos y con mejores propiedades conlleva a la investigación de nuevos materiales, dándose las aplicaciones más importantes en área como la medicina, la electrónica, micro-robótica, dispositivos sensores-actuadores, dispositivos semiconductores y otras. Es conocido que los materiales cerámicos, polímeros y metálicos tienen diferentes propiedades de acuerdo a su estructura y su composición, éstas varían de acuerdo a su energía de enlace, disposición atómica y empaquetamiento de átomos. Para determinar aplicaciones en diferentes áreas es importante considerar sus propiedades: mecánicas, eléctricas, químicas, térmicas, ópticas y magnéticas. Un área que está siendo muy investigada en materiales es la de los polímeros, los plásticos han sido utilizados extensivamente por la industria electrónica como material aislante inactivo; sin embargo esta perspectiva ha cambiando rápidamente al descubrir su potencial como elementos electroconductores (Premio Nobel 2000) su campo de aplicación dando una amplia gama de soluciones como son semiconductores orgánicos. Dentro de los materiales poliméricos conocidos como polímeros intrínseco conductores se han desarrollando los polímeros denominados electro-activos. El grupo de investigación de apoyo externo con reconocido prestigio internacional, ha trabajado en la síntesis de películas poliméricas de polipirrol



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electro-conductoras evaluando principalmente sus propiedades, y sus potencialidades como dispositivos actuadores, con la difusión de los resultados de sus investigaciones [1-5]. Los actuadores electroquimiomecanicos aprovechan su propiedad de cambio volumen lo que los hace ser dispositivos potencialmente útiles, pero su velocidad y capacidad de posicionamiento debe ser mejorado. A la fecha se ha realizado investigación para optimizar sus propiedades desde el punto de vista químico [6-9], sin embargo, se ha realizado muy poca investigación dirigida al uso de sistemas de control de posicionamiento de los actuadores poliméricos. INTRODUCCIÓN: Las películas de polímeros conductores se comportan como materiales reactivos electroactivos en los electrolitos: son oxidados o reducidos bajo el flujo de corrientes anódicas o catódicas, respectivamente. Durante la reacción, las cargas se generan en las cadenas poliméricas y los contraiones se intercambian en el electrolito para mantener el equilibrio de carga. Propiedades como la conductividad, el volumen, el color, la porosidad, la carga almacenada y de almacenamiento químico son propiedades reactivas cambiando en paralelo con el contraión contenido en el material a lo largo de la reacción. La naturaleza química de la reacción puede ser utilizada en el diseño de dispositivos, actuadores electroquimiomecánicos, con habilidades simultáneas de actuación y detección. Cualquier variable física o química que actúa sobre la reacción (mejorando o retardando la velocidad de reacción) promueve un cambio de las señales electroquímicas. Por lo tanto, la flexión de músculos artificiales (bicapas o tricapas) que trabajan a corriente continúa, responden a la evolución de los potenciales eléctricos de acuerdo a las corrientes que se les aplique, comportándose como procesos faradaicos. En consecuencia, los actuadores electroquimiomecánicos son capaces de sensar flujo de corriente. Concluyendo que el mismo dispositivo, es a la vez, un actuador y un sensor de las condiciones del medio. Tanto, el accionamiento (corrientes) y las señales de detección (potenciales), están incluidas por los dos cables de conexión, lo que los potencializa a aplicaciones industriales. Es de interés determinar si el accionamiento simultáneo de detección y sensado es una propiedad general de la reacción electroquímica, en cuyo caso, los dispositivos basados en cualquier propiedad electroquímica de los polímeros conductores electroactivos (microactuadores, baterías poliméricas, ventanas inteligentes, membranas inteligentes, administradores de fármacos



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inteligentes, etc.) pueden exhibir propiedades de detección simultánea y sensado. Polímeros Electroconductores: Los polímeros intrínsecamente conductores, también conocidos como polímeros electroactivos (EAPs) o metales sintéticos tienen una estructura tipo conjugada extendida. Durante la oxidación/reducción de polímeros conductores se rompe el balance electrónico, propiciando cambios de estados redox (reducción-oxidación) mediante la inyección de electrones (reducción) o extracción de electrones (oxidación).

La conductividad se debe principalmente a la incorporación, a determinada molaridad (concentración), de otros elementos químicos (dopado), que cambia la distribución de los enlaces generando estructuras conjugadas (polarones). En otras palabras, dopar al polímero significa modificarlo quitándole electrones (oxidación) o insertándole electrones (reducción).

En la Figura 1, se ilustra como ejemplo, y de manera breve, el mecanismo de oxidación/reducción del polipirrol en presencia de perclorato de litio.

Figura 1 Mecanismo de oxidación-reducción del pirrol

La conductividad, y la conjugación, van aumentando con la oxidación y de esta manera se obtienen valores en un intervalo entre 10-8 hasta 103S/cm. Con esta variación, se logran cambios significativos en el material en sus propiedades eléctricas, mecánicas, ópticas, químicas, térmicas, etc. En el límite inferior de 10-8S/cm el material se comporta como semiconductor, y en el límite superior se comportan como conductor [10].

1. Mecanismo de conducción:



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La conducción eléctrica de los metales se basa en el movimiento de electrones en la banda de conducción. Esta se debe a que tienen una banda de valencia llena y una banda de conducción parcialmente llena permitiendo con facilidad el salto de los electrones entre niveles llenos y vacíos en la banda. La conductividad de los Polímeros Conductores (PC) depende de la técnica de síntesis, el agente dopante y las características del medio en que se polimeriza (tipo de sustrato, temperatura, medio de la disolución, luminosidad, etc. La caracterización e interpretación de polímeros conductores se lleva a cabo mediante métodos electroquímicos y espectroscópicos. Electropolimerización del pirrol: La metodología a seguir en la síntesis del polímero electroconductor, determina su estructura molecular, afectando sus propiedades químicas, mecánicas y eléctricas. La polimerización electroquímica del pirrol permite controlar su morfología y su espesor de la película. Este tipo de síntesis es básicamente un electrodepósito por oxidación anódica del monómero en presencia de una disolución de un electrólito, la cual contiene el monómero (pirrol). Además, se requiere de un sustrato donde se deposite el polímero y que funciona como electrodo de trabajo, un contraelectrodo y un electrodo de referencia. Algunas aplicaciones importantes de polímeros conductores: Los polímeros conductores tienen una amplia gama de propiedades controlables reversible, dando lugar a una serie de dispositivos potencialmente útiles para aplicaciones robóticas, incluyendo actuadores, sensores y baterías. Los polímeros conductores tienen las ventajas de bajo peso, bajo costo, flexibilidad, pequeños potenciales de activación menores de dos volts, la biocompatibilidad y la capacidad de ser fabricado utilizando técnicas relativamente sencillas. Dentro de las aplicaciones más interesantes se pueden mencionar:

• Aplicaciones biomédicas: se esperan grandes logros en polímeros aplicados al: diseño de prótesis neurológicas, músculos artificiales, nervios artificiales [11].

• Sensores: biosensores y sensores analíticos [12] • Electrodos de plásticos en baterías: “Una aplicación potencial

para baterías de polímero está en automóviles……….” ( Alan J. Heeger, 2000).

• Otras aplicaciones: de acuerdo a sus propiedades eléctricas, los polímeros conductores son fotosensibles y fotoquímicos, por lo que se han utilizado en: ventanas inteligentes, sistemas de



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visualización, espejos inteligentes, recubrimientos anticorrosión, etc. [7]

Hay dos grupos principales de los usos para estos polímeros. I. El primer grupo utiliza su conductividad como su característica

principal. II. El segundo grupo utiliza su electro-actividad.

Alterando las características eléctricas y ópticas del polímero, y variando su estado de oxidación y reducción, es posible controlar sus características; dado que estas reacciones son reversibles, es posible controlar sistemáticamente las características eléctricas y ópticas con mucha precisión [13]. Es posible crear polímeros conductores con un rango diverso de propiedades los investigadores las denominan materiales inteligentes. Los materiales inteligentes tienen propiedades dinámicas pero adicionalmente responden a estímulos, procesan la información del estimulo para dar una determinada respuesta. La creación de un sistema de material inteligente debe involucrar la identificación de sistemas moleculares cuyas propiedades químicas y eléctricas pueden ser manipuladas y controladas. Una de las aplicaciones más futuristas de polímeros conductores que está recibiendo mucha atención a nivel mundial incluyen actuadores electroquimiomecánicos (músculos artificiales), en este proyecto sólo se contempla la caracterización genérica de películas electroconductoras poliméricas con propiedades para trabajarse potencialmente como microactuadores tipo bicapa lineales [3, 14]. Los actuadores electroquimiomecánicos son dispositivos que pueden cambiar sus dimensiones físicas cuando son estimulados con una señal eléctrica, en el caso de polímeros conductores, el cambio de volumen ocurre como un resultado del movimiento de iones y solvente dentro y fuera del polímero durante el ciclo oxido-reducción (redox). El cambio en volumen puede elevarse hasta el 3% (cambios de volúmenes más altos han sido reportados en dispositivos muy pequeños), cuando el material es probado isométricamente la tensión generada por el cambio de volumen es del orden de 10MPA. La capacidad del actuador con polímeros conductores se compara favorablemente con el músculo natural (10% de movimiento y 0.3 MPa de tensión y con polímeros piezoeléctricos (0.01% movimiento y 0.3MPa tensión) [15]. Algunas desventajas de los actuadores poliméricos es su tiempo de respuesta lento y su tiempo de vida limitado, resultados han demostrado un promedio de tensión de 3%/s en comparación al músculo natural que responde a 10%/s dando un 1% de tensión para más de 100,000 ciclos.



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Propuesta inicial del sistema de control de posición de un actuador electroquimiomecánico. Los dispositivos construidos con polímeros conductores (CP) son atractivos por su capacidad de transporte de carga eléctrica ya que son dispositivos almacenadores de energía, y sus propiedades pueden ser controladas de forma reversible por el proceso (Redox), incluyendo color, volumen, conductividad y de la porosidad. Son dispositivos funcionales que pueden ser controlados por la carga eléctrica (Q=it Coulombios) contenida en el polímero. El polímero es flexible, ligero y biocompatibles puede funcionar en entornos de aire o líquidos y los potenciales de trabajo y son del orden inferior a 2V. Por lo que son potencialmente útiles para la construcción de dispositivos robóticos de bajo costo. Sin embargo, antes de diseñar estos dispositivos, debemos optimizar su métodos de control, para hacerlos más operativos y accesibles al diseño de personas interesadas en sus aplicaciones. Nuestros trabajos de investigación recientes se han centrado en la caracterización y la mejora de la realización de accionadores de polímeros, también conocidos como "músculos artificiales" [1-5]. Por las razones expuestas anteriormente el grupo de trabajo que presenta esta propuesta de investigación está interesado en dar continuidad al trabajo iniciado en el estudio de electrodos autosoportados en esta área ( proyecto UAEM 2012) y así mismo la formación de profesionales en esta área del conocimiento, para la generación de un grupo de investigación especializado y consolidado. En esta propuesta se plantea para las pruebas del control del actuador electroquimiomecánico, trabajar una película polimérica con polipirrol polimerizada sobre placas de acero inoxidable de alta pureza, con técnica electroquímica, considerando experimentar diferentes condiciones de síntesis, para generar películas poliméricas depolipirrol que puedan caracterizarse de forma autosoportadas (a la fecha experimentalmente muy poco se ha reportado su caracterización de esta forma). Los sistemas de control con actuadores poliméricos que utilizan el cambio en el volumen son dispositivos potencialmente útiles, pero su velocidad y capacidad de posicionamiento debe ser mejorado. Poco se ha incurrido en ello, por lo que este grupo de investigación, propone el trabajo interdisciplinario para el diseño del sistema de control y se propone investigar experimentalmente y diseñar un sistema de control para un actuador tipo bicapa líneal. El uso de técnicas de control pueden mejorar el rendimiento del denominado músculo artificial, mediante la compensación de la dinámica de movimiento del dispositivo, para controlar de posición de actuador polimérico [16-19].



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Yao et. al. [20] previamente han aplicado el control PID para un actuador de tres capas, mientras que Fang et. al. [21] han utilizado un modelo de complejidad reducida como parte de un sistema de control adaptativo robusto. En ambos casos, los sensores de desplazamiento láser se han utilizado para proporcionar retroalimentación de desplazamiento que puede no ser práctico para todas las situaciones, en particular aplicaciones de bajo costo. Por lo que el diseñar estrategias de control alternativas sería beneficioso para mejorar el rendimiento sin aumentar excesivamente la complejidad del sistema. Como punto inicial se tiene planeado trabajar con un dispositivo bicapa que inicialmente se caracterizara el material polimérico y posteriormente se armaran los músculos artificiales. Bajo la base de un proceso farádico se alimentara por técnicas cronoamperométricas para seguir la evolución del potencial, caracterizando su respuesta como dispositivo posicionador, ya con el modelo del comportamiento del sistema actuador electroquímico, se tendrán las herramientas para poder definir el tipo de control a utilizar y modelar la planta (inicialmente se propone un sistema de control PI, conforme a la Figura 2.

Figura. 2 Planta de la propuesta de un sistema de control PI, para el posisiconamiento de un

actuador electroquimiomecanico lineal.



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OBJETIVO: Diseño e implementación de un sistema de control de posición de un dispositivo actuador electroquimiomecánico tipo lineal. Objetivos específicos • Capacitación e integración de investigadores y alumnos de diferentes área de la ingeniería a los procesos electroquímicos y materiales inteligentes, para buscar consolidar un grupo de trabajo en esta área. • Controlar la posición de actuadores poliméricos, bicapa de combamiento, a través de la utilización de un modelo basado en el comportamiento dinámico de tales dispositivos. • Estudiar y caracterizar el comportamiento electroquímico de los dispositivos actuadores generados. • Trabajar y establecer una metodología experimental en el control de posición de actuadores electroquimiomecánico lineales. • Sintetizar y caracterizar materiales inteligentes que abran nuevas oportunidades de investigación aplicada al diseño de dispositivos con polímeros conductores en la UAEM. METODOLOGÍA: Etapa uno: Documentación organización y capacitación. Objetivo de la etapa I: Reconocimiento de materiales electroconductores, principios electroquímicos y funcionamiento. Meta etapa I: Que los integrantes del grupo de la UAEM, obtengan los conceptos básicos de procesos electroquímicos y materiales electroconductores, para así proceder al diseño. Producto a obtener Etapa I: Aprendizaje y dominio del grupo interdisciplinario de bases electroquímicas y de actuadores electroquimiomecánicos. Actividades a desarrollar Etapa I 1. Revisión Bibliográfica y búsqueda documental. 2. Capacitación de los estudiantes 3. Re-adecuación de áreas de trabajo y asignación de trabajo 4. Estudio de principios de materiales electroconductores, su forma de síntesis y principios de electroquímica básica.



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5. Estudios de principios de operación del modelo experimental de posicionamiento de actuadores armados con polímeros conductores. Etapa dos: Parte experimental Objetivo Etapa II: Síntesis de el material polimérico de base polipirrol y construcción de los actuadores electroquimiomecánicos. Metas Etapa II: Sintetizar y caracterizar materiales electroactivos de base polipirrol y caracterizarlos para posteriormente utilizarlos como parte integral de un actuador polimérico Producto a obtener Etapa II: Material polimérico de base polipirrol Dispositivos actuadores electroquimiomecánicos Modelo del sistema electroquímico Actividades a desarrollar Etapa II 6.-Síntesis del material polimérico base polipirrol a utilizar 7.- Caracterización del material sintetizado 8.-armado del actuador polimérico 9.- caracterización del actuador polimérico 10.-Modelado del sistema de movilidad del actuador en la celda electroquímica. Etapa III. Reconocimiento del trabajo de la celda electroquímica y definición del diseño de control de posicionamiento. Actividades a desarrollar Etapa III 6. Propuesta de diseño del modelo dinámico: actuador-sistema de control 7. Diseño del sistema de control, definición de la planta a controlar 8. Diseño de las interfase gráficas con el software y hardware Metas Etapa III: Integrar la parte del modelo dinámico del actuador al control de posición Producto a obtener Etapa III: Modelo dinámico del actuador electroquimiomecánico Diseño del sistema de control Etapa Cuatro: Implementación del sistema de control



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Objetivo Etapa IV: Construir , implementar y probar el sistema de control de posicionamiento de un actuador electroquimiomecanico lineal. Meta Etapa IV: Obtener el sistema de control integral de posicionamiento de un actuador electroquimiomecanico lineal. Producto a obtener Etapa IV: Prototipo final del sistema de control de posicionamiento de un actuador electroquimiomecanico lineal. Reporte técnico final Artículo para enviar Ponencias Armado del prototipo de sistema de control integral de posicionamiento de un actuador electroquimiomecanico lineal. Actividades a desarrollar Etapa IV 9. Acoplamiento del sistema 10. Pruebas. 11. Adecuación a la parte experimental Escritura del borrador del artículo para difusión de los resultados 12. Reconocimiento de procesos en el laboratorio de membranas del CICY. 13. Diseño de un modelo para evaluar el sistema 14. Presentación de resultados. 15. Acoplamiento del sistema final . Análisis, Resultados y Conclusiones Actividades a desarrollar 16. Valoración y discusión de resultados por el grupo de trabajo 17. Presentación de resultados y elaboración de conclusiones 18. Elaboración y valoración del seguimiento del proyecto en una etapa posterior para la aplicación a actuadores electroquimiomecánicos. Terminar el artículo y enviarlo para su dictamen IMPACTO: Impacto a la UAEM:

• Creación de grupo de especialista en polímeros electroactivos y actuadores electroquimiomecanicos, especialista en tendencia de ingeniería molecular y nanotecnología



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Formación de recursos humanos:

• Incorporación de investigadores de la FIUAEM disciplinarios a la ingeniería electroquímica aplicada a micro-actuadores.

• Formar estudiantes con intereses reales como investigadores en el área de materiales inteligentes aplicados a microactuadores.

Impacto social:

• A mediano plazo se considerará el buscar las aplicaciones de estos materiales a problemas de índice biomédico.social e industrial.

• A largo plazo integrase a redes nacionales e internacionales para el desarrollo de aplicaciones de actuadores con polímeros electroconductores.

INFRAESTRUCTURA DISPONIBLE: Facultad de Ingeniería:

• Laboratorios de electrónica básica (osciloscopio, fuentes, generador de funciones, multímetro, programador de microprocesadores)

• Laboratorio de sistemas digitales

• Laboratorios de química

• Área de trabajo de investigación de ingeniería en electrónica

• Centro de instrumentos de la FIUAEM.

• Laboratorios de mecánica

CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE QUÍMICA SUSTENTABLE UAEM

• Microscopio electrónico de transmisión marca JEOL, modelo TEM-2010: 200 kV, resolución de 0.23 nm punto a punto. Análisis de Dispersión de Energía (EDS) detector de contraste “Z” y con un dispositivo para obtener imágenes STEM.



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• UV/Vis/NIR Cari 5000-Varian: Para líquidos. 175-3300nm, adquisiciones de 0.02-10nm, velocidad de barrido 0.004-2000 nm/min.

• Microscopio de fuerza atómica (AFM): Marca VEECO modelo CP-II SPM Digital. Modos de contacto y tapping, escáner de 5 micras.

• Microscopio electrónico de barrido (SEM): JEOL 8810LV, Voltaje de aceleración de 1 a 30 kV, detectores de electrones secundarios y retrodispersados, alto vacío y bajo vacío, resolución máxima de 3nm. Acoplado a detector de rayos X, para hacer análisis químico por medio de Dispersión de Energía (EDS) marca OXFORD, con resolución de 137 eV.

• Sputtering DENTON: Depósito de oro y de grafito, sistema de vacío con aire de 30 a 1000 mTorr, con capacidad para 8 muestras.

• TGA-DSC SDT-Q600 TA Instruments: Sólidos, geles y líquidos no volátiles. Compensación de poder, 30 a 1500°C, velocidades de barrido de 0.1 a 300°/min.

• DRX de polvos D8-Advance Bruker: Tubo de descarga con ánodo de cobre y detector Linxeye.

• FTIR Prestige-21Shimadzu: Sólidos, geles, polvos, líquidos, fibras, gases, películas. HART-diamante, Reflectancia especular a 30°, celda de gases.

Universidad Politécnica de Cartagena (España) UPCT

• Laboratorio de electroquímica y materiales equipado con sistemas adecuados para la caracterización de materiales poliméricos con capacidades conductoras y actuadores, sistema de grabación de video.

CICY

• Laboratorios de electroquímica.

• Laboratorios de Físico-química



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INTEGRANTES Grupo de trabajo:

Facultad de Ingeniería UAEM

Nombre Participación Dra. en I. Laura Luz Valero Conzuelo

PTC Perfil PROMEP Responsable

Dr. Eduardo Rodríguez Angeles

PTC Perfil PROMEP Colaborador

Dra. María Guadalupe Morán Solano

PTC Colaboradora

M. en I. Silvia Edith Albarrán Trujillo

PTC Colaboradora

C. Jesús Jesús Arturo Pérez Carbajal No. cta. 0520449

Estudiante electrónica FIUAEM

Tesista

Universidad Politécnica de Cartagena UPCT

Nombre Participación

Dr. Toribio Fernández Otero

Investigador TC Co-Responsable

C. a Dr. Jose Martínez Estudiante doctorado UPCT

Colaborador

Centro de Investigación conjunta en Química Sustentable UAEM UNAM

Nombre Participación Dr. Alfredo Rafael Vilchis Nestor Investigador TC

Investigador TC SNI Colaborador

M en I. Gustavo López Téllez

Ténico laboratorista Colaborador

Centro de Investigación Científica de Yucatán CICY

Nombre Ubicación Participación como:

Dra. Mascha Afra Smit Investigadora TC SNI Colaboradora MECANISMOS DE TRANSFERENCIA (c):



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• Difusión en revista de impacto (posibles revistas: IEEE.T Circuits ISSN :1549-8328 o Journal Solis state eletrochemical ISSN 1432-8488 o ournal Applied Electrochemestry :ISSN: I 0021-8917), Actuators

• Difusión en eventos académicos (opciones : Congreso de la Sociedad Nacional de electroquímica, no se opta por internacional debido a los recursos o e el Congreso Nacional de Física o en el Congreso de la IEEE).

• Difusión en revistas académicas. • Transferencia y asesoría con la UPCT • Transferencia y asesoría con el CICY • Transferencia con otras instituciones como el ININ la UIA, para fortalecer

y transferir los resultados obtenidos y continuar el proyecto • Prototipo que puede ser candidato a protección intelectual institucional.

PRODUCTOS ENTREGABLES (b), ESPERADOS (c): • Prototipo de sistema de control de posicionamiento • Estudio de su comportamiento con un sistema de control clásico. • Tesis del alumno becario ( 90% experimental) y 50% (escrito) • Publicación enviada a una revista indexada CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES:

Actividad/meses 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Revisión Bibliográfica y documental

X X

Estudio sobre conceptos de electroquímica, materiales electroconductores y síntesis de polímeros conductores

X X

Reconocimiento de procesos con actuadores de polímeros conductores en el laboratorio de membranas del CICY y Laboratorio de Química sustentable de la UAEM.

X X

Propuesta de diseño del sistema posicionador de actuadores poliméricos

X X

Implementación del sistema de controlador

X X X X X X



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Actividad/meses 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12posicionador de actuadores poliméricos Desarrollo del modelo de evaluación

X X X X x

Estudio comportamiento de la panta de control.

X X X

Caracterización del actuador como dispositivo posicionador

X X

Pruebas finales y resultados.

X X X

Elaboración de reporte final de investigación.

X X X

Difusión de resultados de investigación

X X X

Publicación de resultados en revistas indexadas. (Elaboración de artículos).

X X X X



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PRESUPUESTO: Se adjunta hoja Excel del desglose presupuestario, solicitado en el formato Excel adjunto. Material consumible y reactivos Material consumible, circuitos integrados y material electrónico

Si solicitado

Reactivos químicos Si solicitado Pinzas e instrumental de laboratorio Si solicitado Consumibles de equipo de cómputo Si solicitado Formación de recursos humanos *Becas a estudiantes licenciatura Si solicitado *Beca estudiante posgrado no solicitado Asistencia a congresos Si solicitado Estancia de investigación Si solicitado



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Divulgación del conocimiento científico Asistencia a eventos académicos Si solicitado Asistencia como ponente Si solicitado Divulgación en revistas científicas arbitradas

(Si solicitado

Viáticos de movilidad ( estancias, alimentos y hospedaje)

Si solicitado

REFERENCIAS [1] José G. Martínez, Joaquín Arias-Pardilla and Toribio F. Otero,, Smart Actuation and Sensing Systems - Recent Advances and Future Challenges, , Edited by Giovanni Berselli, Rocco Vertechy and Gabriele Vassura, ISBN 978-953-51-0798-9, Publisher: InTech, October 17, 2012 . Chapter 12 [2] Fransisco García-Córdova , Laura Valero , Yahya Ahmed Ismailand Toribio Fernandez Otero,Biomimetic polypyrrole based all three-in-one triple layer sensing actuators exchanging cations J. Mater. Chem., 2011,21, 17265-17272 [3] Valero, L., Arias-Pardilla, J., Cauich-Rodríguez, J., Smit, M. and Otero T.F. 2010 Sensing and tactile artificial muscles from reactive materials. Sensors, 10, 2638-2674] 2010 [4] Laura Valero1, Joaquin Arias-Pardilla2,Mascha Smit1, Juan Cauich-Rodríguez1,Toribio F Otero, Polypyrrole free-standing electrodes sense temperature or current during reaction, Polymer International Special Issue: Electromechanically Active Polymers Volume 59, Issue 3, pages 337–342, March 2010 [5] L. Valero; J. Arias-Pardilla; J. Cauich-Rodríguez; M.A. Smit; T.F. Otero, Characterization of the movement of polypyrrole–dodecylbenzenesulfonate–perchlorate/tape artificial muscles. Faradaic control of reactive artificial molecular motors and muscles, Electrochimica Acta (56 (10), pg. 3721-3726, April 2011), [6] Modern aspects of electrochemistry, ed by Bockris JO, White RE,.Conway BE, Kluwer Academic/Plenum Publ, New York (1999). [7] Baughman RH, Shacklette LW, Elsenbaumer RL, Plichta E, Becht C, Conjugated Polymer Materials. Opportunities in Electronics, Optoelectronics and Molecular Electronics,ed by Brédas J-L, Chance RR, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (The Netherlands), pp 559-582 (1990). [8] Intrinsically conducting polymers: An emerging technology., ed by Aldissi M, Kluwer, Dordrecht (The Nederlands) (1993).



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[9]Polymer Sensors And Actuators. (Eds. D. de Rossi and Y. Osada) Springer-Verlag. Berlin . 2000 [10] Handbook of Conducting Polymers. (Eds T. Stotheim, R. Elsenhaumer and J. Reynolds). Marcel Dekker Inc.New York, 1998, 3rd Ed, (Eds. T. Skotheim, J. Reynolds. CRC Press. 2006 [11]Maw S, Smela E, Yoshida K, Sommer-Larsen P, Stein RB, Sensors and Actuators A: Physical, 89: 175-184 (2001) [12] Ionstronics, Chapter I “Electrochemestry of Conjugated polymers, Edited by Janelle Leger, Magnus Berggrens and Sue Cartet, CRC press 2012, isbn:978-1-4398-0688-3. [13] M. Christophersen, B. Shapiro, and E. Smela "Characterization and modeling of PPy bilayer microactuators. Part 1: Curvature" Sens. Act. B, 115, 596-609 (2006) [14]E.Smela"Conjugated polymer actuators for biomedical applications" Adv. Mater., 15 (6), 481-494 (2003).

[15] S. Hara, T. Zama, W. Takashima, and K. Kaneto, "Free-standing gellike polypyrrole actuators doped with bis(perfluoroalkylsulfonyl)imide exhibiting extremely large strain," Smart Materials and Structures, vol. 14, pp. 1501-1510, 2005 [16] S. John, G. Alici, and C. Cook, "Frequency response of polypyrrole trilayer actuator displacement," in Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2008, San Diego, California, USA, 2008, pp. 69271T-8. [17] J. D. W. Madden, P. G. A. Madden, and I. W. Hunter, "Polypyrrole actuators: modeling and performance," in Smart Structures and Materials 2001: Electroactive Polymer Actuators and Devices, 2001. [18] S. W. John, G. Alici, G.M. Spinks, J. M. D. Madden, and G.G. Wallace, “Towards fully optimised conducting polymer bending sensors: Effect of geometry”, Journal of Smart Materials and Structures, 2009. [19] S. W. John, G. Alici, and C. D. Cook, " Inversion-based Feedforward Control of Polypyrrole Trilayer Bender Actuators", IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2009. [20] Q. Yao, G. Alici, and G. M. Spinks, "Feedback control of tri-layer polymer actuators to improve their positioning ability and speed of response," Sensors and Actuators A, vol. 144, pp. 176-184, 2008.



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[21] Y. Fang, X. Tan, and G. Alici, "Robust Adaptive Control of Conjugated Polymer Actuators," IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 16, pp. 600-612, 2008.

Ref. A Productos de las instituciones participantes de forma conjunta

Revistas arbitradas:

1. Electrochimica Acta, accepted, Ref. No.: EEM10-08R2 'Characterization of the movement of polypyrrole-dodecylbenzenesulfonate-perchlorate/tape artificial muscles. Faradaic control of reactive artificial molecular motors and muscles.

2. L. Valero, T.F. Otero, J. Arias-Pardilla, M. Smit, J. Cauich, ‘Polypyrrole Free-Standing electrodes: Reactions sense temperature or current’, Polymer International, 59, 3 (2010) 337-342.

3. L. Valero, J. Arias-Pardilla, J. Cauich-Rodríguez, M. Smit and T.F. Otero, ‘Sensing and Tactile Artificial Muscles from Reactive Materials’, Sensors, 10 (2010) 2638-2674

4. Fransisco García-Córdovaa, Laura Valeroa, Yahya Ahmed Ismailb and Toribio Fernandez Otero Biomimetic polypyrrole based all three- in- one triple layer sensing actuators exchanging cations Journal of Materials Chemistry, DIO: 10.1039/C1JM13374H (Aceptada el 25/08/2011 y en proceso de edición).

5 Publicación;”One Actuator and Several Sensors in One Device With Only Two Connecting Wires. Mimicking Muscle/Brain Feedbac” will be published in our Periodical of Advances in Science and Technology Vol. 79 in 2013 with the title Electroactive Polymers: Advances in Materials and Devices (ISSN: 1662-8969, ISSN/ISO: Advances in Science and Technology).

Memorias en extenso:

1.-Sensors ISSN-124-8220. L. Valero, J. Arias-Pardilla, J. Cauich-Rodríguez, M. Smit and T.F. Otero, "Sensing and tactile artificial muscles reactive sensors.

2.-Invited paper: Conducting polymers as simultaneous sensor-actuators, Toribio Fernández otero, Gemma Vázquez, Laura Valero, Electroactive Polymer actuators an devices. Electroactive polymer Actuators and devices (EAPAD) 2010. proc. of SPIE Vol 7642, 76420W.



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Congresos Internacionales:

1. Ponencia en el Congreso de Electroquímica 30 en Tenerife en julio 2009

2. 4Th Conference on Artificial Muscles 5Th World Congress On Biomimetics, Artificial Muscles an Nano Bio, en Noviembre del 2009 en Osaka, Japón. Presento el DR. Toribio Fernández

3. Congreso Smart Structures and Materials (SPIE), en San Diego California en marzo 8 2010(http://spie.org/x12228.xm) ( Memoria en extenso), El Dr Fernández Otero presentó resultados.

4. Poster en Smart Actuators and the 6th International Exhibition on. Smart Actuators and drive Systems, placed in. Bremen, Germany, on 14-16 June 2010 , con memoria en extenso, http://www.actuator.de/templ act en IQ.php.

5. Poster en Slap en San José Costa RicaCosta Rica en Julio 2010.

6. Poster en el International Society Electrochemistry SIE en Francia, Niza en septiembre 2010 (presentó J. Arias S05-P-001 http.V/eventl O.ise-online.org/general/poster.php,).

7. Ponencia: Potencialidad de los Polímeros Conductores como dispositivos sensores y actuadores- electroquimo-mecánico, FIUAEM Oct.2010.

8. The 9th Spring Meeting of the International Society of Electrochemistry. En Finlandia y Turkia. El 8 de mayo del 2011. (responsible: Richard G. Compton, Co-Responsable: Li Nui).

9. First International Conference on Electromechanically Active Polymer (EAP) transducers and artificial Muscles EuroAEP 2011. En Pisa, Francia. El 8 y 9 de Junio del 2011.(comite organizador: “Europiean Scientific Network for Artificial Muscles” (ESNAM). COST Action grant MP1003 (www.esnam.cu)).

10. Asistencia la XII Congreso de materiales. Ponencia : Músculos artificiales que sienten el ambiente. Imitando la comunicación cerebro-órganos (C3 4.2). Universidad de alicante: 30-1 de Junio 2012

11.Asistencia al Congreso 63Th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry y presentación de Poster. Praha Rep. Checa . Agosto 2012



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DESGLOSE FINANCIERO

Nota: se adjunto desglose en Excel pdf: presupuesto 2013

Documents

2013 S control posicionamiento de actuadores 22022013 a