Ученые разработали прочный материал для гибких искусственных мышц

Ученые-материаловеды Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и их коллеги из некоммерческого научно-исследовательского института SRI International разработали новый материал и производственный процесс для создания искусственных мышц, которые сильнее и гибче, чем их биологические аналоги.

«Искусственное создание мышца сказал Кибин Пей, профессор материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, инженерная школа Самуэли и автор исследования, недавно опубликованного в наук.

для мягкий материал Рассматривается для использования в качестве файла искусственная мышцаон должен иметь возможность выводить механическая энергия Они сохраняют жизнеспособность в условиях высоких нагрузок, а значит, не теряют форму и прочность после многократных рабочих циклов. В то время как многие материалы считались конкурентами для создания искусственных мышц, диэлектрические эластомеры (DE) — легкие материалы с высокой плотностью энергии эластичности — представляли особый интерес из-за их оптимальной гибкости и долговечности.

Диэлектрические эластомеры представляют собой электрически активные полимеры, представляющие собой природные или синтетические материалы, состоящие из крупных молекул, способных изменять размер или форму под воздействием электрическое поле. Их можно использовать в качестве приводов, позволяющих машинам работать, вращая электричество в механической работе.

Большинство диэлектрических пластиков изготавливаются либо из акрила, либо из силикона, но оба материала имеют недостатки. В то время как традиционные акриловые подгузники могут выдерживать высокие эксплуатационные нагрузки, они требуют предварительного растяжения и не обладают гибкостью. Из силикона сделать проще, но он не выдерживает высокого давления.

Используя коммерчески доступные химические вещества и используя процесс отверждения ультрафиолетовым (УФ) светом, исследовательская группа во главе с Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе создала улучшенный материал на акриловой основе, который является более гибким, поддающимся настройке и более простым в измерении без потери своей прочности и долговечности. В то время как акриловая кислота позволяет более водородные связи Чтобы придать материалу большую подвижность, исследователи также модифицировали сшивку между полимерными цепями, что позволило сделать эластомеры более мягкими и гибкими. Затем между двумя электродами помещается тонкая отверждаемая высокоэффективная изолирующая резиновая мембрана, или PHDE, для преобразования электрической энергии в движение в качестве исполнительного механизма.

Каждая пленка PHDE такая же тонкая и легкая, как кусок человеческого волоса, толщиной около 35 микрометров, и когда несколько слоев сложены вместе, она становится миниатюрным электродвигателем, который может работать как электродвигатель. мышечная ткань Он производит достаточно энергии для движения небольших роботов или датчиков. Исследователи сделали стопки пленок PHDE от четырех до 50 слоев.

«Этот гибкий, универсальный и эффективный привод может открыть двери для искусственных мышц в новых поколениях робототехники или в датчиках и носимых технологиях, которые могут имитировать или даже улучшать движения и способности человека», — сказал Бэй.

Искусственные мышцы с приводами PHDE могут генерировать большее усилие, чем биологические мышцы, и демонстрируют в 3–10 раз большую гибкость, чем естественные мышцы.

Мягкие многослойные пленки обычно изготавливаются с помощью «мокрого» процесса, который включает нанесение и отверждение жидкой смолы. Но этот процесс может привести к неровным швам, что приводит к плохой работе двигателя. По этой причине до сих пор многие актуаторы были успешными только с однослойными пленками DE.

Исследование Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе включает «сухой» процесс, при котором пленки наслаиваются лезвием, а затем обрабатываются УФ-излучением для затвердевания, делая слои однородными. Это увеличивает оператор производство энергии Так что устройство может поддерживать самые сложные движения.

Упрощенный процесс в сочетании с гибким и прочным характером PHDE позволяет производить новые мягкие приводы, способные сгибаться для прыжка, как ноги паука, или скручиваться и поворачиваться. Исследователи также продемонстрировали способность триггера PHDE бросать шарик размером с горошину в 20 раз тяжелее, чем пленки PHDE. Привод также может расширяться и сжиматься, как диафрагма, при включении и выключении напряжения, давая представление о том, как искусственные мышцы Может использоваться в будущем.

Достижения могут привести к созданию мягких роботов с улучшенной подвижностью и выносливостью, а также к новым носимым и тактильным технологиям с осязанием. производственный процесс Его также можно применять к другим мягким тонкопленочным материалам для приложений, включая микрофлюидные методы, тканевую инженерию или микрообработку.