PHDE (Photocurable Dielectric Elastomer): วัสดุอิเล็กโทรลาสเตอร์แสงรักษารูป
PHDE (Photocurable Dielectric Elastomer): วัสดุอิเล็กโทรลาสเตอร์ที่แข็งตัวด้วยแสง
PHDE (Photocurable Dielectric Elastomer) เป็นวัสดุที่รวมคุณสมบัติของ dielectric elastomer กับความสามารถในการแข็งตัวเมื่อสัมผัสแสง (photocurable) จึงสามารถสร้างรูปร่างที่ซับซ้อนและนำไปใช้งานได้หลากหลายในสาขา เช่น หุ่นยนต์อ่อนตัว (soft robotics), sensor, actuator เป็นต้น
1. พื้นฐานของ Dielectric Elastomer (DE)
Dielectric elastomers (DEs) คือวัสดุอิเล็กทริกชนิดยืดหยุ่นที่ประกอบด้วยแผ่นฟิล์มยาง (elastomer) เคลือบด้วยอิเล็กโตรดยืดหยุ่นสองด้าน เมื่อนำแรงดันไฟฟ้าไปประจุระหว่างอิเล็กโตรด จะเกิดแรงไฟฟ้าสถิต (Maxwell stress) กดฟิล์มให้บางและขยายในแนวนอน ซึ่งเป็นหลักการเดียวกับคาปาซิเตอร์ยืดหยุ่นและก่อให้เกิดการเปลี่ยนรูปร่างขนาดใหญ่ (strain สูงถึง 300%)
DEs มีคุณสมบัติเลิศ เช่น น้ำหนักเบา ตอบสนองเร็ว เสียงเงียบ ประสิทธิภาพสูง และสามารถนำไปใช้เป็นทั้ง actuator, sensor หรือเครื่องผลิตพลังงาน
2. ความหมายและวัตถุประสงค์ของ PHDE
PHDE เป็น DE รุ่นพิเศษที่มี “photocurable” ซึ่งหมายถึงสามารถแข็งตัว, เซ็ตตัว หรือคงรูปได้โดยการฉายแสง UV หรือ visible นั่นหมายความว่าสามารถสร้างโครงสร้างสามมิติแบบกำหนดเองผ่านวิธีการพิมพ์ 3D หรือหล่อแม่พิมพ์ชนิดบาง จากนั้นใช้แสงเพื่อสร้าง property ที่ต้องการ
จุดเด่นของ PHDE คือ:
- ปรับรูปทรงได้ตามแม่พิมพ์หรือชั้นเลเยอร์ได้อย่างอิสระผ่านการฉายแสง
- ตัววัสดุคงสภาพหลังการฉายมั่นคง สามารถทำ electroding หรือนำไปใช้งานต่อในกระบวนการผลิต
- ยังคงคุณสมบัติ DE ได้เต็มรูปแบบ เช่น การยืดตัวและนำไปใช้ใน actuator/sensor ได้
3. เทคโนโลยีการผลิต
3.1 สูตรโพลิเมอร์ & photoinitiator
วัสดุหลักมักเป็น PDMS หรือโพลิเมอร์ชนิด acrylate ที่ผสมตัว photoinitiator เช่นสารแนว thiol-ene, acrylate UV-curable เมื่อฉายแสงจะเกิดปฏิกิริยาข้ามสายโพลิเมอร์ (crosslinking) จนกลายเป็นยางแข็งตัวที่มี dielectric property
3.2 วิธีการผลิต
- หล่อกัน UV (UV molding): เทวัสดุลงในแม่พิมพ์ เหมาะกับแผ่นฟิล์มหรือโครงสร้างบาง
- พิมพ์ 3D (DLP/SLA): ฉายแสงปรับรูปทรงตาม CAD เหมาะกับโครงสร้างเลเยอร์ซับซ้อน
- Wet spinning ของเส้นใย: สกัด PDMS แบบ photocurable แล้วฉายแสงระหว่างกระบวนการ ข้อดีคือแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ต่ำ (น้อยกว่า 100 V)
4. เทคโนโลยีล่าสุด & เหตุการณ์สำคัญ
- งานสิ่งพิมพ์ใน Science แสดง PHDE แบบ multilayer ที่ให้ areal strain สูงถึง 190 % และยังรักษาความสามารถยืดตัวที่ 110 % ที่ 2 Hz โดยไม่ต้อง prestretch
- งานประชุมในสมัย EuroEAP 2022 แสดงการผลิตเส้นใย PDMS photocurable ด้วยวิธี wet spinning ซึ่งทำให้ได้ actuator เส้นใยที่ง่ายต่อการควบคุมรูปทรง และใช้งานแรงดันต่ำ (น้อยกว่า 100 V)
- มีรีวิวสถาปัตยกรรม multilayer ใหม่ ๆ, electrode โปร่งใส, filler ปรับ dielectric constant และดีไซน์ reservoir-layer เพื่อยืดอายุการใช้งาน
5. การใช้งานจริง (Applications)
5.1 Soft Robotics / Artificial Muscle
PHDE ให้แรงขยายตัวสูงและตอบสนองเร็ว จึงใช้เป็น actuator ในหุ่นยนต์อ่อนตัว วัสดุผิวกาล (skin-like) เช่น gripper, ปีกหุ่นยนต์ หรือคลื่นลำความถี่สูง
5.2 Wearable e‑Skin / Sensor
ใช้เป็น layer วัดแรงกด/แรงดึงผ่านการเปลี่ยน capacitance ได้ PHDE ยังสามารถฝัง electrode โปร่งใส เช่น carbon nanotubes หรือ carbon black
5.3 Tunable Optics / Lens
การนำ PHDE ไปประยุกต์กับ tunable optical lens หรือ metasurfaces โดยใช้แรงดันไฟฟ้าปรับรูปร่างเลนส์ได้ (varifocal)
5.4 Sensor / Energy Harvester
นอกจาก actuator PHDE สามารถทำงานแบบเติมพลังงานกลับ (energy harvester) หรือทำ capacitive sensor วัดแรง/ความดันได้
5.5 Medical Devices
ด้วยความรวดเร็ว ยืดหยุ่น และ biocompatible วัสดุเหล่านี้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น muscle assist, prosthetics, diaphragm actuators ในเครื่องมือผ่าตัด
6. ข้อดี & ข้อจำกัด
ข้อดี
- การผลิตยืดหยุ่น กำหนดรูปทรงได้ผ่านการฉายแสง
- strain สูง, การตอบสนองเร็ว, น้ำหนักเบา, ต้นทุนต่ำเมื่อ scale up
- แรงดันใช้งานลดลงสำหรับ fiber PHDE
ข้อจำกัด
- แรงดันสูง (หลายกิโลโวลต์) สำหรับฟิล์ม DE
- จำเป็นต้องออกแบบ electrode ให้ยืดหยุ่น ทนต่อ electrode breakdown
- UV-curing อาจสร้าง residual stress หรือ shrinkage
- อายุการใช้งานยังต้องศึกษาเพิ่มเติม โดยเฉพาะ cycling fatigue
7. แนวโน้มในอนาคต
- พัฒนา electrode ยืดหยุ่นและทนทาน เช่น transparent CNT หรือ liquid metal
- เพิ่ม filler เช่น BaTiO₃ เพื่อเพิ่ม dielectric constant และลดแรงดันใช้งาน
- ออกแบบ multilayer structure หรือ reservoir-layer เพื่อชะลอ electrical breakdown
- ประยุกต์กับ microfabrication/3D printing เพื่อสร้าง MEMS หรือโครงสร้าง soft robotics ที่ซับซ้อน
- ใช้งานร่วมกับ AI/control systems สำหรับ closed‑loop operation (self-sensing DEAs)
สรุป
PHDE เป็นนวัตกรรมในกลุ่ม dielectric elastomer ที่เพิ่มความสามารถในการผลิตรูปทรงด้วยแสง ได้ทั้งวัสดุเส้นใยและแผ่น film ที่มี strain สูง, ตอบสนองเร็ว และใช้แรงดันไฟฟ้าได้ในหลายระดับ จึงเหมาะสำหรับแอปพลิเคชันใน soft robotics, e‑skin, tunable optics, sensors, และ medical devices การพัฒนาในอนาคต ได้แก่ การใช้งาน electrode โปร่งใส เพิ่ม dielectric constant และออกแบบ multilayer เพื่อเพิ่มเสถียรภาพการใช้งาน