Нови електрични фероматериали могли би роботима дати мишиће

Нови тип фероелектричног полимера који је изузетно добар у претварању електричне енергије у механички стрес обећава као контролер покрета или „активатор“ високих перформанси са великим потенцијалом за апликације у медицинским уређајима, напредној роботици и прецизним системима за позиционирање, према тиму истраживача.Интернационале које води Пенн Стате.

Механички напон, начин на који материјал мења облик када се примени сила, је важно својство оператера, и представља сваки материјал који ће се променити или деформисати када се примени спољна сила као што је електрична енергија. Традиционално, ови материјали за актуаторе су били крути, али меки актуатори као што су фероелектрични полимери показују већу флексибилност и прилагодљивост окружењу.

Истраживање је показало потенцијал фероелектричних полимерних нанокомпозита да превазиђу ограничења конвенционалних пиезоелектричних полимерних композита, пружајући обећавајуће средство за развој меких актуатора са побољшаним перформансама замора и густином механичке енергије. Меки актуатори су од посебног интереса за истраживаче роботике због своје снаге, снаге и флексибилности.

рекао је Ћинг Ванг, професор науке о материјалима и инжењеринг у Пенн Стате-у и коаутор студије, која је недавно објављена у часопису природни материјали. „Ово ће нам омогућити да добијемо мекани материјал који може да поднесе велико оптерећење као и велики стрес. Дакле, овај материјал ће бити ближи симулацији људских мишића, што је блиско људским мишићима.“

Међутим, постоје неке препреке које се морају превазићи пре него што ови материјали испуне своје обећање, а потенцијална решења за ове препреке су предложена у студији. Фероелектрици су класа материјала који показују спонтану електричну поларизацију када се примени спољашњи електрични набој и позитивна и негативна наелектрисања у материјалима се преместе на различите електроде. Напон у овим материјалима током фазног прелаза, у овом случају претварајући електричну енергију у механичку енергију, може променити својства баш као и њихов облик, чинећи их корисним као актуаторима.

Уобичајена примена електричног актуатора је у инкјет штампачу, где електрични набој мења облик актуатора како би прецизно контролисао сићушне млазнице које наносе мастило на папир да би формирале текст и слике.

Док су многи фероелектрични материјали керамика, они такође могу бити полимери, који су класа природних и синтетичких материјала направљених од многих сличних јединица повезаних заједно. На пример, ДНК је полимер, као и најлон. Предност фероелектрика је у томе што показују огромну количину напрезања електричног поља потребног за рад. Овај напон је много већи од онога што стварају други фероелектрични материјали који се користе у актуаторима, као што је керамика.

Ово својство фероелектричних материјала, уз висок ниво флексибилности, ниску цену у поређењу са другим фероелектричним материјалима и малу тежину, од великог је интереса за истраживаче у растућој области меке роботике, дизајна робота са флексибилним деловима и електронике.

„У овој студији смо предложили решења за два велика изазова у области обраде меког материјала“, рекао је Ванг. „Први је како побољшати чврстоћу меких материјала. Знамо да меки материјали за машинску обраду који су направљени од полимера имају највећи стрес, али генеришу много мање силе у поређењу са пиезокерамиком.“

Други изазов је да актуатор од фероелектричног полимера обично захтева веома високо погонско поље, силу која приморава на промену система, као што је промена облика актуатора. У овом случају, потребно је велико погонско поље да би се створила промена облика у полимеру потребна за активирање термоелектричне реакције.

Предложено решење за побољшање перформанси фероелектричних полимера је развој нанокомпозита фероелектричног полимера — врсте микроскопске етикете причвршћене за полимер. Уграђивањем наночестица у врсту полимера, поливинилиден флуорида, истраживачи су створили међусобно повезану мрежу електрода унутар полимера.

Ова мрежа је омогућила да се индукује фероелектрични фазни прелаз на много нижим електричним пољима него што би иначе било потребно. Ово је постигнуто термоелектричном методом коришћењем џулове грејања, које се дешава када електрична струја која пролази кроз проводник производи топлоту. Коришћење џулове загревања за индуковање фазног прелаза у нанокомпозитном полимеру захтевало је само мање од 10% јачине електричног поља која је нормално потребна за промену фероелектричне фазе.

„Уобичајено, овај напон и сила у фероелектричним материјалима су међусобно повезани, у обрнутом односу“, рекао је Ванг. „Сада можемо да их спојимо у један материјал и развили смо нови начин да га покрећемо помоћу џулове грејања. Пошто ће погонско поље бити много ниже, мање од 10%, зато се овај нови материјал може користити за многе апликације које захтевају ниско поље вожње да би биле ефикасне, као што су медицински уређаји, оптички уређаји и меки роботи.“