Искусственные мышцы впервые сгибаются: инновации в области сегнетоэлектрических полимеров в робототехнике

Автор: Пенсильванский государственный университет, 8 июля 2023 г.

Активация сегнетоэлектрических полимеров за счет джоулевого нагрева. Кредит: Цин Ван

Исследователи из Пенсильванского университета разработали новый сегнетоэлектрический полимер, который эффективно преобразует электрическую энергию в механическую деформацию. Этот материал, обладающий потенциалом для использования в медицинских устройствах и робототехнике, преодолевает традиционные пьезоэлектрические ограничения. Исследователи улучшили производительность, создав полимерный нанокомпозит, значительно снизив необходимую напряженность движущего поля и расширив потенциальные возможности применения.

Новый тип сегнетоэлектрического полимера, который исключительно хорош в преобразовании электрической энергии в механическую деформацию, обещает стать высокопроизводительным контроллером движения или «приводом» с большим потенциалом для применения в медицинских устройствах, современной робототехнике и системах прецизионного позиционирования. группа международных исследователей во главе с Penn State.

Механическая деформация, то есть то, как материал меняет форму при приложении силы, является важным свойством привода, которым является любой материал, который будет изменяться или деформироваться при приложении внешней силы, такой как электрическая энергия. Традиционно эти материалы приводов были жесткими, но мягкие приводы, такие как сегнетоэлектрические полимеры, демонстрируют более высокую гибкость и адаптируемость к окружающей среде.

Исследование продемонстрировало потенциал сегнетоэлектрических полимерных нанокомпозитов для преодоления ограничений традиционных пьезоэлектрических полимерных композитов, открывая многообещающий путь для разработки мягких приводов с повышенными деформационными характеристиками и плотностью механической энергии. Мягкие приводы особенно интересны исследователям робототехники из-за их прочности, мощности и гибкости.

«Потенциально теперь у нас может быть тип мягкой робототехники, которую мы называем искусственными мышцами», — сказал Цин Ван, профессор материаловедения и инженерии штата Пенсильвания и соавтор исследования, недавно опубликованного в журнале Nature Materials. «Это позволит нам получить мягкую материю, способную нести большую нагрузку в дополнение к большому напряжению. Таким образом, этот материал будет скорее имитировать человеческие мышцы, близкий к человеческим мышцам».

Однако есть несколько препятствий, которые необходимо преодолеть, прежде чем эти материалы смогут оправдать свои ожидания, и в исследовании были предложены потенциальные 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. Деформация этих материалов во время фазового перехода, в данном случае преобразования электрической энергии в механическую, может полностью изменить такие свойства, как форма, что делает их полезными в качестве приводов.

«Потенциально мы теперь можем иметь своего рода мягкую робототехнику, которую мы называем искусственными мышцами».

— Цин Ван, профессор материаловедения и инженерии

Обычное применение сегнетоэлектрического привода — это струйный принтер, где электрический заряд меняет форму привода, чтобы точно управлять крошечными соплами, которые наносят чернила на бумагу для формирования текста и изображений.

While many ferroelectric materials are ceramics, they also can be polymers, a class of natural and synthetic materials made of many similar units bonded together. For example, DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"DNA is a polymer, as is nylon. An advantage of ferroelectric polymers is they exhibit a tremendous amount of the electric-field-induced strain needed for actuation. This strain is much higher than what is generated by other ferroelectric materials used for actuators, such as ceramics./p>

Along with Wang, other researchers in the study include from Penn State Yao Zhou, postdoctoral scholar in materials science and engineering; Tiannan Yang, assistant research professor with the Materials Research Institute; Xin Chen, postdoctoral researcher in materials science and engineering; Li Li, research assistant in materials science and engineering; Zhubing Han, graduate research assistant in materials science and engineering; Ke Wang, associate research professor with the Materials Research Institute; and Long-Qing Chen, Hamer Professor of Materials Science and Engineering. From North Carolina State UniversityFounded in 1887 and part of the University of North Carolina system, North Carolina State University (also referred to as NCSU, NC State, or just State) is a public land-grant research university in Raleigh, North Carolina. NC State offers a wide range of academic programs and disciplines, including the humanities, social sciences, natural sciences, engineering, business, and education. It is known for its strong programs in engineering, science, and technology and is a leader in research and innovation. It forms one of the corners of the Research Triangle together with Duke University in Durham and The University of North Carolina at Chapel Hill. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"North Carolina State University, other researchers in the study include Hancheng Qin, graduate research assistant in physics; Bing Zhang, graduate student in physics; Wenchang Lu, research professor in physics; and Jerry Bernholc, Drexel Professor in Physics. From Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China, other researchers in the study include co-corresponding author Yang Liu, a former postdoctoral scholar in materials science and engineering at Penn State, now a professor of materials science and engineering./p>