Специалисты из лаборатории инженерной психологии в университете Беркли пытаются заменить двигатели внутреннего сгорания, электромоторы или гидравлические приводы пневматическими системами, приводимыми в действие перекисью водорода, а еще лучше — искусственными «мышцами» на основе электроактивных полимеров.
Однако пока что никто не разработал привод, обладающий достаточной мощностью. И Йозеф Бар-Коэн, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения в Пасадине, штат Калифорния, учредил даже премию для исследовательской группы, которая сможет изготовить из электроактивных полимеров искусственную руку, способную победить человека в матче по армреслингу.
Мышцы разные бывают…
До появления таких полимеров создатели микроприводов обычно использовали пьезокерамику. Если подать электрическое напряжение на кристалл, например, сегнетовой соли, то он деформируется; если его сжать, он наэлектризуется. Несколько лет тому назад тот же Бар-Коэн вместе с коллегами пытался усовершенствовать такой привод, создав пьезокерамические диски из цирконат-титаната свинца. И хотя они под действием электрического напряжения сжимаются или расширяются всего на доли процента, на их основе уже удалось создать вибродрель, без труда справляющуюся с твердым камнем.
Однако во многих случаях инженерам требуются электроактивные материалы, линейные размеры которых могут изменяться на десятки или даже сотни процентов. И в их поисках материаловеды обратили свои взоры к полимерам. Пластики, изменяющие форму под действием электрического поля, обычно делят на две группы: ионные и электронные.
У тех и у других свои преимущества и недостатки. Ионные электроактивные полимеры включают в себя полимерные гели, полимерметаллические композиты, проводящие полимеры и углеродные нанотрубки. Их действие основано на электрохимии — движении или диффузии заряженных ионов. Причем даже небольшое напряжение приводит к значительной деформации.
К сожалению, такие материалы должны быть постоянно влажными, их приходится заключать в гибкую герметичную оболочку. Есть и другой недостаток: если напряжение превышает определенный уровень, начинается электролиз, необратимо повреждающий материал.
Электронные «мускулы» — такие, как ферроэлектрические полимеры и алектрострикционные эластомеры — приводятся в действие электрическим полем высокого напряжения. Поэтому здесь требуются особые источники питания и эффективная защита от случайного удара током. Тем не менее, именно материалы этой группы отличаются высоким быстродействием и значительными механическими усилиями.
Схема их действия довольно проста. Представьте себе конденсатор — две параллельные проводящие пластины, между которыми проложен изолятор. При подаче напряжения пластины притягиваются друг к другу и сжимают полимерный изолятор, который при этом расширяется. Тонкая пленка диэлектрического эластомера (обычно толщиной 30–60 мкм) покрывается с двух сторон мягким полимером с внедренными в него проводящими углеродными частицами. Углеродный слой, соединенный проводниками с источником питания, представляет собой эластичный электрод, который может расширяться вместе с пластиком. Из таких слоистых пластиковых пленок и изготавливают приводы нового поколения, размер которых может увеличиваться почти на 400 процентов.
Впрочем, некоторые исследователи остановили свой взгляд на электрострикционных полимерах, таких, как полиуретан или силикон. Углеводородные молекулы образуют в них полукристаллические структуры, опять-таки обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Правда, удлинение их меньше: некоторые виды мягких силиконов могут менять свою длину всего лишь на треть.
Первые успехи
В общем, выбрав ряд перспективных материалов, исследователи сейчас занимаются разработкой конкретных устройств на их основе. Пока впереди всех японские исследователи. В Стране восходящего солнца уже можно купить аквариум с рыбками-роботами, которые плавают в воде как живые. В них нет ни одной механической детали — изгибающиеся тела рыбок изготовлены из электроактивного полимера.
Похожий привод японские инженеры пытаются использовать в «штанах-самоходах» — частичном экзоскелетоне, который должен помочь двигаться инвалидам и людям, проходящим курс реабилитации после сложных переломов.
Зато инженеры из «Саркоса» разработали сенсоры и приводы, позволяющие людям с ампутированными конечностями управлять механическими руками благодаря незначительным движениям кожи или мышц. А инженеры из Калифорнийского университета в Беркли тем временем сконструировали очередной вариант экзоскелетона, который помогает пешеходу переносить груз до 100 кг по пересеченной местности.
Читать дальше
