Новий сегнетоелектричний матеріал може дати роботам м’язи

Новий тип сегнетоелектричного полімеру, який надзвичайно добре перетворює електричну енергію в механічну деформацію, є перспективним високопродуктивним контролером руху або «приводом» з великим потенціалом для застосування в медичних пристроях, передовій робототехніці та системах точного позиціонування, відповідно до команди міжнародних дослідників під керівництвом Penn State.

Механічна деформація, тобто те, як матеріал змінює форму під час застосування сили, є важливою властивістю для приводу, тобто будь-якого матеріалу, який змінюється або деформується під час застосування зовнішньої сили, наприклад електричної енергії . Традиційно ці матеріали приводів були жорсткими, але м’які приводи, такі як сегнетоелектричні полімери, демонструють вищу гнучкість і адаптованість до навколишнього середовища.

Дослідження продемонструвало потенціал сегнетоелектричних полімерних нанокомпозитів для подолання обмежень традиційних п’єзоелектричних полімерних композитів, пропонуючи багатообіцяючий напрямок для розробки м’яких приводів із покращеними характеристиками деформації та щільністю механічної енергії. М’які приводи особливо цікаві дослідникам робототехніки завдяки своїй міцності, потужності та гнучкості.

«Потенційно тепер ми можемо мати тип м’якої робототехніки, який ми називаємо штучним м’язом», — сказав Кінг Ван, професор матеріалознавства та інженерії штату Пенсільванія та співавтор дослідження, нещодавно опублікованого в Nature Materials . «Це дозволить нам мати м’яку речовину, яка може нести високе навантаження на додаток до великої деформації. Таким чином, цей матеріал буде більше схожим на людські м’язи, ті, які близькі до людських м’язів».

Однак є кілька перешкод, які необхідно подолати, перш ніж ці матеріали зможуть виконати свої обіцянки, і потенційні рішення цих перешкод були запропоновані в дослідженні. Сегнетоелектрики — це клас матеріалів, які демонструють спонтанну електричну поляризацію, коли прикладається зовнішній електричний заряд, а позитивні та негативні заряди в матеріалах спрямовуються до різних полюсів. Деформація цих матеріалів під час фазового переходу, у цьому випадку перетворення електричної енергії на механічну, може повністю змінити такі властивості, як форма, що робить їх корисними як приводи.

Поширеним застосуванням сегнетоелектричного приводу є струменевий принтер, де електричний заряд змінює форму приводу, щоб точно контролювати крихітні сопла, які наносять чорнило на папір для формування тексту та зображень.

Хоча багато сегнетоелектричних матеріалів є керамікою, вони також можуть бути полімерами, класом природних і синтетичних матеріалів, виготовлених із багатьох подібних елементів, з’єднаних разом. Наприклад, ДНК є полімером, як і нейлон. Перевага сегнетоелектричних полімерів полягає в тому, що вони демонструють величезну кількість індукованого електричним полем напруження, необхідного для активації. Це напруження набагато вище, ніж те, що створюється іншими сегнетоелектричними матеріалами, що використовуються для приводів, наприклад керамікою.

Ця властивість сегнетоелектричних матеріалів разом із високим рівнем гнучкості, зниженою вартістю порівняно з іншими сегнетоелектричними матеріалами та низькою вагою викликає великий інтерес для дослідників у зростаючій галузі м’якої робототехніки, розробки роботів із гнучкими частинами та електроніки.

«У цьому дослідженні ми запропонували рішення двох основних проблем у сфері активації м’яких матеріалів», — сказав Ван. «Одним із них є те, як покращити силу м’яких матеріалів. Ми знаємо, що м’які матеріали, які є полімерами, мають найбільшу деформацію, але вони створюють набагато меншу силу порівняно з п’єзоелектричною керамікою».

Друга проблема полягає в тому, що сегнетоелектричний полімерний актуатор зазвичай потребує дуже високого рушійного поля, яке є силою, яка викликає зміни в системі, такі як зміна форми в актуаторі. У цьому випадку сильне рушійне поле необхідне для генерації зміни форми полімеру, необхідного для сегнетоелектричної реакції, необхідної для того, щоб стати приводом.

Рішення, запропоноване для покращення продуктивності сегнетоелектричних полімерів, полягало в розробці перколятивного сегнетоелектричного полімерного нанокомпозиту — свого роду мікроскопічної наклейки, прикріпленої до полімеру. Додавши наночастинки до типу полімеру, полівініліденфториду, дослідники створили взаємопов’язану мережу полюсів у полімері.

Ця мережа дозволила індукувати сегнетоелектричний фазовий перехід при значно нижчих електричних полях, ніж зазвичай потрібно. Це було досягнуто за допомогою електротермічного методу з використанням Джоулева нагрівання, яке відбувається, коли електричний струм, що проходить через провідник, виділяє тепло. Використання нагріву Джоуля для індукції фазового переходу в нанокомпозитному полімері призвело до того, що потрібно лише менше ніж 10% напруженості електричного поля, зазвичай необхідного для сегнетоелектричної зміни фази.

“Як правило, ця деформація та сила в сегнетоелектричних матеріалах корелюють один з одним у зворотній залежності”, – сказав Ван. «Тепер ми можемо об’єднати їх разом в один матеріал, і ми розробили новий підхід до його керування за допомогою нагріву Джоуля. Оскільки рушійне поле буде набагато нижчим, менше ніж 10%, ось чому цей новий матеріал можна використовувати для багатьох додатків, які вимагають низького рівня керування, щоб бути ефективними, таких як медичні пристрої, оптичні пристрої та м’яка робототехніка». Джерело