Американские ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе совместно с научно-исследовательским институтом SRI International разработали электромотор на основе акрилатов для искусственных мышц. Он легко гнется, его свойства можно изменять при необходимости. При этом благодаря ему искусственные мышцы оказываются в разы гибче и сильнее естественных. Исследование опубликовано в журнале Science.
Для изготовления искусственных мышц может использоваться далеко не каждый мягкий материал. Он должен отдавать механическую энергию, а также выдерживать деформации, то есть такой материал должен сохранять свою форму и оставаться в рабочем состоянии на протяжении нескольких рабочих циклов. Сейчас внимание ученых привлекают диэлектрические эластомеры — легкие материалы, обладающие высокой плотностью упругой энергии; они прочные и гибкие. Диэлектрические эластомеры — электрически активные полимеры, то есть они могут менять форму или размер под действием электрического поля. Из такого материала могут быть изготовлены актуаторы — устройства, которые приводят весь механизм в действие путем превращения электроэнергии в механическую работу. Обычно диэлектрические эластомеры делают на основе акрилатов или силикона, но у обоих подходов есть недостатки. Акриловые эластомеры испытывают сильную нагрузку при приведении устройства в работу, их нужно предварительно натягивать, у них плохая гибкость. Силиконовые эластомеры просты в изготовлении, но не выдерживают высоких нагрузок.
Теперь ученые использовали коммерчески доступные химические вещества и применили процесс отверждения ультрафиолетовым светом, чтобы получить новый материал на основе акрилатов. Он легко гнется, его свойства можно изменять без потерь в прочности или долговечности. Благодаря содержанию акриловой кислоты в составе этого материала в нем много водородных связей, что делает полимер более подвижным. Цепочки полимера также сшиты между собой, поэтому полимер получается мягким и гибким. Новый материал представляет собой пленку толщиной всего в 35 мкм. Обычно для наслаивания пленок друг на друга используется «мокрый» процесс, из-за чего материал может распределяться неравномерно. Исследователи же использовали «сухой» подход, при котором слои полимера застывают под действием ультрафиолета. С помощью такого метода ученым удалось изготовить многослойные системы из нового полимера, в которых входило от 4 до 50 слоев. Далее такие системы помещаются между двух электродов, и уже это устройство может служить актуатором — миниатюрным электромотором, двигателем искусственных мышц.
Сила искусственных мышц на несколько мегапаскалей превышает ту, которую могут развить природные мышцы. Кроме того, искусственная мышечная ткань в 10 раз более гибкая, чем натуральная. Ученые показали, что актуатор на основе нового материала может подбрасывать шарик размером с горошину, при этом его вес может в 20 раз превышать массу слоев полимера. Более того, многослойная полимерная пленка может под действием электрического напряжения сокращаться и расширяться как диафрагма.
Эта технология может быть использована для разработки мягких роботов, нательных устройств, систем для передачи осязательных ощущений. Сам процесс получения полимера другие ученые могли бы использовать при производстве других тонкопленочных материалов для разных сфер: микрофлюидики, тканевой инженерии, микротехнологий.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
