Робототехника: исследователи создали первую искусственную мышцу
Крупное достижение в области "мягкой" робототехники: новый ферроэлектрический полимер демонстрирует невероятную эффективность при преобразовании электрической энергии в механическую. По своей гибкости и устойчивости к внешним воздействиям этот материал близок к человеческим мышцам и обещает широкое применение в медицинских устройствах и перспективной робототехнике.
Мягкая робототехника - это быстро развивающаяся отрасль робототехники, включающая использование гибких и податливых материалов (известных как механические приводы), способных скручиваться, изгибаться или изменять свою форму под действием различных механических ограничений. Как правило, такие приводы или контроллеры движения изготавливаются из жестких материалов, недостаточная гибкость которых существенно сдерживает прогресс в области робототехники.
Для выполнения как можно большего числа задач необходимо, чтобы приводы были одновременно гибкими и могли выдерживать сильные нагрузки, не ломаясь и не разрываясь. В настоящее время наиболее изученными в этом отношении являются диэлектрические эластомеры, проводящие полимеры, пьезоэлектрические материалы и материалы с памятью формы, а также органические полимеры. Такие приводы могут возбуждаться электрическими и магнитными полями, давлением, температурой, влажностью и световым излучением.
Недавно были проведены исследования, показавшие, что ферроэлектрические полимеры обладают особенно высокой гибкостью и приспособляемостью к окружающей среде. Однако они по-прежнему сталкиваются с проблемами, характерными для пьезоэлектрических материалов, в частности, с сочетанием в одном материале устойчивости к различным механическим нагрузкам и податливости - противоположных свойств, которые, тем не менее, присутствуют в наших мышцах.
В своем новом исследовании, описанном в журнале , ученые из Государственного университета Пенсильвании предлагают преодолеть эти проблемы с помощью нового нанокомпозита на основе ферроэлектрического полимера. Будучи гибким и упругим механическим приводом, этот материал значительно снижает необходимую напряженность поля двигателя и демонстрирует улучшенные деформационные характеристики. На сегодняшний день он наиболее близок к человеческим мышцам.
"Потенциально мы можем получить тип мягкой робототехники, который мы называем искусственными мышцами", — говорит Цин Ванг, профессор материаловедения и инженерии в Пенсильванском государственном университете и соавтор исследования. "Это позволит нам получить мягкий материал, способный выдерживать не только большую нагрузку, но и значительную деформацию", — поясняет он.
Полимер с сетью наночастиц
Пьезоэлектрические материалы - это так называемые "интеллектуальные" материалы, способные преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот. Эта способность связана с тем, что под действием механических напряжений они демонстрируют макроскопическую электрическую поляризацию. И наоборот, они могут деформироваться при воздействии на них электрического поля.
Ферроэлектрические материалы представляют собой семейство пьезоэлектриков, макроскопическая поляризация которых может самопроизвольно изменяться под действием электрического поля. При этом электрические заряды (положительные или отрицательные) перемещаются к разным полюсам, и деформация материала в процессе так называемого фазового перехода может изменить некоторые его свойства, например, форму. Эта особенность делает ферроэлектрические материалы особенно интересными в качестве гибких приводов, не говоря уже об их низкой стоимости и невероятной легкости.
Например, ферроэлектрические приводы используются в принтерах, где электрический заряд изменяет их форму для точного управления крошечными чернильными соплами. Такая податливость позволяет наносить чернила на бумагу для получения необходимых изображений или текста.
Однако большинство таких материалов изготавливается из жесткой керамики, что препятствует универсальности устройств, в которые они интегрируются. Полимеры, напротив, позволяют преодолеть проблему жесткости и обеспечивают значительный диапазон наводимых напряжений. При этом интенсивность этих напряжений значительно выше, чем у керамических приводов.
Тем не менее остаются две серьезные проблемы, одна из которых касается величины прилагаемого усилия. Хотя полимерные ферроэлектрические приводы могут выдерживать большие нагрузки, они все равно создают гораздо меньшее усилие, чем жесткие керамические приводы. Вторая проблема заключается в том, что для изменения формы ферроэлектрического полимера, как правило, требуется высокое электрическое управляющее поле. В частности, здесь возникает парадокс между сочетанием "мягкости-массивности" и "силового сопротивления", присущим, как уже говорилось выше, мягким приводам.
Композитные материалы предлагают многообещающий подход для решения этой проблемы. Тот, который был разработан исследователями в новом исследовании, представляет собой перколяционный сегнетоэлектрический полимерный нанокомпозит. Последний состоит во вставке своего рода наклеек из наночастиц в полимер поливинилиденфторида. Затем наночастицы действуют как сеть взаимосвязанных полюсов на уровне материала.
Сеть наночастиц позволяет вызвать фазовый переход, при этом электрические поля значительно слабее обычных (на 10%). Это стало возможным благодаря электротермическому методу с использованием Джоулевского нагрева (который возникает, когда электрический ток, протекающий по проводнику, выделяет тепло). Такое уменьшенное электрическое поле имеет широкий спектр применения в медицинских приборах, оптике и мягкой робототехнике, в том числе для манипулирования объектами или перемещения по неровной местности.