Nowe elektryczne ferromateriały mogą dać robotom mięśnie

Zdaniem zespołu nowy rodzaj polimeru ferroelektrycznego, który wyjątkowo dobrze przekształca energię elektryczną w naprężenia mechaniczne, wydaje się obiecujący jako wysokowydajny kontroler ruchu lub „siłownik” o dużym potencjale zastosowań w urządzeniach medycznych, zaawansowanej robotyce i precyzyjnych systemach pozycjonowania naukowców.Międzynarodówki kierowane przez Penn State.

Naprężenie mechaniczne, czyli sposób, w jaki materiał zmienia kształt po przyłożeniu siły, jest ważną właściwością operatora i dotyczy dowolnego materiału, który zmieni się lub odkształci po przyłożeniu siły zewnętrznej, takiej jak energia elektryczna. Tradycyjnie te materiały uruchamiające były sztywne, ale miękkie aktywatory, takie jak polimery ferroelektryczne, wykazują większą elastyczność i zdolność dostosowywania się do środowiska.

Badania wykazały potencjał ferroelektrycznych nanokompozytów polimerowych do przezwyciężenia ograniczeń konwencjonalnych piezoelektrycznych kompozytów polimerowych, dostarczając obiecujących środków do opracowania miękkich siłowników o zwiększonej wytrzymałości zmęczeniowej i gęstości energii mechanicznej. Miękkie siłowniki są szczególnie interesujące dla badaczy robotyki ze względu na ich siłę, moc i elastyczność.

powiedział Qing Wang, profesor inżynierii materiałowej w Penn State i współautor badania, które zostało niedawno opublikowane w czasopiśmie materiały natury. „Umożliwi nam to uzyskanie miękkiego materiału, który może przenosić zarówno duże obciążenia, jak i duże naprężenia. Materiał ten będzie więc bliższy symulacji ludzkich mięśni, czyli zbliżonych do ludzkich mięśni”.

Istnieją jednak pewne przeszkody, które należy pokonać, zanim te materiały będą mogły spełnić swoje obietnice, aw badaniu zaproponowano potencjalne rozwiązania tych przeszkód. Ferroelektryki to klasa materiałów, które wykazują spontaniczną polaryzację elektryczną po przyłożeniu zewnętrznego ładunku elektrycznego, a dodatnie i ujemne ładunki w materiałach przenoszą się do różnych elektrod. Naprężenia w tych materiałach podczas przejścia fazowego, w tym przypadku przekształcania energii elektrycznej w energię mechaniczną, mogą zmieniać właściwości, podobnie jak ich kształt, czyniąc je przydatnymi jako siłowniki.

Typowym zastosowaniem siłownika elektrycznego jest drukarka atramentowa, w której ładunek elektryczny zmienia kształt siłownika, aby precyzyjnie sterować maleńkimi dyszami, które nakładają atrament na papier, tworząc tekst i obrazy.

Chociaż wiele materiałów ferroelektrycznych to ceramika, mogą to być również polimery, które są klasą materiałów naturalnych i syntetycznych wykonanych z wielu podobnych jednostek połączonych ze sobą. Na przykład DNA jest polimerem, podobnie jak nylon. Zaletą ferroelektryków jest to, że wykazują one ogromne naprężenia pola elektrycznego wymagane do działania. Odkształcenie to jest znacznie większe niż to, które generują inne materiały ferroelektryczne stosowane w siłownikach, takie jak ceramika.

Ta właściwość materiałów ferroelektrycznych, wraz z wysokim poziomem elastyczności, niskim kosztem w porównaniu z innymi materiałami ferroelektrycznymi i niewielką wagą, jest bardzo interesująca dla badaczy rozwijającej się dziedziny robotyki miękkiej, projektowania robotów z elastycznymi częściami i elektroniką.

„W tym badaniu zaproponowaliśmy rozwiązania dwóch głównych wyzwań w dziedzinie obróbki materiałów miękkich” – powiedział Wang. „Pierwsza dotyczy tego, jak poprawić wytrzymałość miękkich materiałów. Wiemy, że siłowniki z miękkiego polimeru mają największe naprężenia, ale generują znacznie mniejszą siłę w porównaniu z piezoceramikami”.

Drugim wyzwaniem jest to, że ferroelektryczny polimerowy siłownik zazwyczaj wymaga bardzo silnego pola napędowego, siły, która wymusza zmianę systemu, taką jak zmiana kształtu siłownika. W tym przypadku konieczne jest silne pole napędowe, aby wywołać zmianę kształtu polimeru wymaganą do uruchomienia reakcji termoelektrycznej.

Proponowanym rozwiązaniem mającym na celu poprawę wydajności polimerów ferroelektrycznych jest opracowanie nanokompozytu polimeru ferroelektrycznego — rodzaju mikroskopijnej etykiety przyczepionej do polimeru. Poprzez osadzenie nanocząstek w rodzaju polimeru, polifluorku winylidenu, naukowcy stworzyli w polimerze połączoną sieć elektrod.

Ta sieć umożliwiła wywołanie ferroelektrycznej przemiany fazowej przy znacznie niższych polach elektrycznych niż byłoby to normalnie wymagane. Osiągnięto to metodą termoelektryczną z wykorzystaniem ogrzewania Joule’a, które występuje, gdy prąd elektryczny przepływający przez przewodnik wytwarza ciepło. Zastosowanie ogrzewania Joule’a do wywołania przemiany fazowej w polimerze nanokompozytowym wymagało jedynie mniej niż 10% natężenia pola elektrycznego normalnie wymaganego do ferroelektrycznej zmiany fazy.

„Zazwyczaj to naprężenie i siła w materiałach ferroelektrycznych są ze sobą powiązane w odwrotnej relacji” – powiedział Wang. „Teraz możemy połączyć je w jeden materiał i opracowaliśmy nowy sposób napędzania go za pomocą ogrzewania Joule’a. Ponieważ pole napędowe będzie znacznie niższe, mniej niż 10%, dlatego ten nowy materiał może być używany do wiele zastosowań, które wymagają niskiego pola napędowego, aby były skuteczne, takich jak urządzenia medyczne, urządzenia optyczne i miękkie roboty”.