Международная группа исследователей под эгидой Университета штата Пенсильвания (Penn State) в США разработала новый тип сегнетоэлектрического полимера, который очень эффективно преобразует электрическую энергию в механическое усилие и обещает стать высокопроизводительным «приводом» для применения в передовой робототехнике, а также в медицинских и других прецизионных устройствах. Об этом сообщает официальный сайт Penn State. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Исследование Penn State продемонстрировало потенциал сегнетоэлектрических полимерных нанокомпозитов для преодоления ограничений традиционных пьезоэлектрических полимерных композитов, предлагая многообещающее направление для разработки мягких приводов с улучшенными характеристиками деформации и плотностью механической энергии. Мягкие приводы представляют особый интерес для исследователей робототехники из-за их прочности, мощности и гибкости.
«Потенциально теперь у нас может появиться новый тип мягкой робототехники, которую мы называем искусственными мышцами. Это своего рода эластичная материя, которая будет в наибольшей степени имитировать человеческие мышцы», – сказал Цин Ван, профессор материаловедения и инженерии Penn State и соавтор исследования, недавно опубликованного в Nature Materials.
Однако есть несколько препятствий, которые необходимо преодолеть, прежде чем эти материалы смогут оправдать свои ожидания, и в исследовании были предложены возможные решения этих препятствий.
Сегнетоэлектрики – это класс материалов, которые демонстрируют спонтанную электрическую поляризацию при приложении внешнего электрического заряда, когда положительные и отрицательные заряды в материалах направляются к разным полюсам. Напряжение в этих материалах во время фазового перехода, в данном случае преобразование электрической энергии в механическую, способно значительно изменять их форму, что делает их эффективными в качестве исполнительных механизмов.
Распространенным применением ферроэлектрического привода является струйный принтер, в котором электрический заряд изменяет форму привода для точного управления крошечными соплами, которые наносят чернила на бумагу для формирования текста и изображений.
Хотя многие сегнетоэлектрические материалы представляют собой керамику, они также могут быть полимерами. Преимущество сегнетоэлектрических полимеров заключается в том, что они способны на весьма значительную деформацию, вызванную электрическим полем для ее срабатывания.
Это свойство сегнетоэлектрических материалов, наряду с высоким уровнем гибкости, малым весом и доступной стоимостью представляет большой интерес для исследователей в растущей области «мягкой робототехники» – проектирования роботов с гибкими и эластичными конструктивными элементами.
«В этом исследовании мы предложили решения двух основных проблем, связанных с приводом в действие мягких материалов. Одним из них является увеличение генерируемой силы, в чем полимеры ранее заметно уступали пьезоэлектрической керамике» – отметил Ван.
Вторая проблема, по его словам заключается в том, что актуатору из сегнетоэлектрического полимера обычно требуется очень сильное управляющее поле. Решение, предложенное в этом аспекте, состоит в разработке перколяционного (позволяющего жидкостям свободно проникать через поры) нанокомпозита – своего рода микроскопической наклейки, прикрепленной к полимеру.
Включив нужные наночастицы в такой тип полимера, как поливинилиденфторид, исследователи создали взаимосвязанную сеть полюсов внутри полимера. Эта сеть позволила индуцировать сегнетоэлектрический фазовый переход при гораздо меньших электрических полях, чем обычно требуется.
Это было достигнуто с помощью электротермического метода с использованием джоулевого нагрева, который возникает, когда электрический ток, проходящий через проводник, выделяет тепло. Использование джоулевого нагрева для индукции фазового перехода в нанокомпозитном полимере привело к тому, что потребовалось менее 10% напряженности электрического поля, обычно необходимой для сегнетоэлектрического фазового перехода.
«Обычно напряжение тока и сила в сегнетоэлектрических материалах коррелируют друг с другом в обратной зависимости. Теперь мы можем интегрировать их вместе в один материал, и мы разработали новый подход к его возбуждению с использованием джоулевого нагрева. В итоге этот новый материал можно использовать для многих применений, где требуется низкое поле возбуждения, таких как медицинские устройства, оптические устройства и мягкая робототехника», – пояснил Ван.
Наряду с Ваном и его коллегами из Penn State, в числе других исследователей над данной разработкой трудились ученые из Университета штата Северная Каролина (США) и Университета науки и технологий Хуажонг в Ухане (КНР).