Ученые-материаловеды Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и их коллеги из некоммерческого научно-исследовательского института SRI International разработали новый материал и производственный процесс для создания искусственных мышц, которые сильнее и гибче, чем их биологические аналоги. Об этом сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Чтобы мягкий материал можно было рассматривать для использования в качестве искусственной мышцы, он должен быть способен выдавать механическую энергию и оставаться жизнеспособным в условиях высокой нагрузки, то есть он не теряет легко свою форму и прочность после повторных рабочих циклов. Многие материалы считались претендентами на создание искусственных мышц, но диэлектрические эластомеры (DE) представляли особый интерес из-за их оптимального соотношения гибкости и прочности.
Электроактивные DE-полимеры (природные или синтетические вещества, состоящие из больших молекул) могут изменять размер или форму под действием электрического поля. Их можно использовать в качестве исполнительных механизмов, действующих за счет преобразования электрической энергии в механическую работу.
Большинство диэлектрических эластомеров изготавливаются либо из акрила, либо из силикона, но оба материала имеют недостатки. Акриловые DE могут достигать высокой деформации при срабатывании, но требуют предварительного растяжения и не обладают должной гибкостью. Силиконы проще в изготовлении, но они не выдерживают высоких нагрузок.
Используя коммерчески доступные химические вещества и применяя процесс отверждения ультрафиолетовым (УФ) излучением, исследовательская группа под общим руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создала улучшенный материал на основе акрила, который является более гибким, поддающимся настройке и более простым в масштабировании без потери своей прочности и долговечности.
Акриловая кислота способствует образованию большего количества водородных связей, тем самым делая материал более подвижным, а исследователи также отрегулировали сшивание между полимерными цепями, что позволило эластомерам стать более мягкими и гибкими. Полученная тонкая, обрабатываемая, высокоэффективная диэлектрическая эластомерная пленка – PHDE – в итоге помещается между двумя электродами для преобразования электрической энергии в движение в качестве исполнительного механизма.
Каждая пленка PHDE имеет толщину лишь около 35 микрометров. Когда несколько слоев сложены вместе, они становятся миниатюрным электродвигателем, который может действовать как мышечная ткань и производить достаточно энергии для датчиков или движения маленьких роботов. Исследователи UCLA изготовили опытные стопки пленок PHDE, состоящих от 4 до 50 слоев.
«Этот гибкий, универсальный и эффективный привод может открыть двери для искусственных мышц в новых поколениях роботов или в датчиках и носимых технологиях, которые могут более точно имитировать или даже улучшать человеческие движения и возможности», – отметил Кибин Пей, профессор материаловедения и инженерии в UCLA и один из ведущих авторов исследования.
Искусственные мышцы, оснащенные приводами PHDE, показали способность генерировать большее усилие в мегапаскалях, чем биологические мышцы, и они также демонстрируют в 3-10 раз большую гибкость, чем естественные мышцы.
Многослойные мягкие пленки обычно изготавливаются с помощью «мокрого» процесса, который включает нанесение и отверждение жидкой смолы. Но этот процесс может привести к образованию неравномерных слоев, что приведет к плохой работе привода. Исследование UCLA задействовало «сухой» процесс, при котором пленки наслаиваются с помощью лезвия, а затем затвердевают под действием УФ-излучения, делая слои однородными. Это увеличивает выходную мощность привода, так что устройство может поддерживать более сложные движения.
Упрощенный процесс, наряду с гибким и прочным характером PHDE, позволяет производить новые мягкие приводы, способные изгибаться для прыжка, как ноги паука, или скручиваться и вращаться. Исследователи также продемонстрировали способность такого привода подбрасывать шарик размером с горошину и весом в 20 раз тяжелее, чем сами пленки PHDE. Привод также может расширяться и сжиматься, как диафрагма, при включении и выключении напряжения, что дает представление о том, как можно будет использовать искусственные мышцы в будущем.
Эта разработка может привести к созданию мягких роботов с улучшенной подвижностью и выносливостью, а также к новым носимым и тактильным технологиям со способностью осязания. Производственный процесс также может быть применен к другим мягким тонкопленочным материалам для приложений, включая микрофлюидные технологии, тканевую инженерию или микрофабрикацию.
Примечательно, что данное исследование проводилось при поддержке DARPA – Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов США, то есть его результатам найдется и военное применение.