Новият тип фероелектричен полимер е изключително добър при преобразуването на електрическа енергия в механична деформация (снимка: Qing Wang / PSU)
Много изследователски екипи по света работят в областта на роботиката. Едно от предизвикателствата пред учените и инженерите е да създадат гъвкави роботи. Нова научна разработка обещава пробив по пътя към постигане на тази цел.
Очевиден е стремежът роботите да станат не само по-умни, но и по-гъвкави. Международен екип от изследователи, ръководен от Пенсилванския държавен университет (PSU), е разработил фероелектричен полимер, който ефективно преобразува електрическата енергия в механична деформация. Потенциално подходящ за използване в медицински устройства и роботика, този материал преодолява традиционните пиезоелектрични ограничения.
Изследователите подобряват характеристиките чрез полимерен нанокомпозит, като значително намаляват силата на полето, необходима за деформация, което разширява потенциала за приложение на технологията.
Новият тип фероелектричен полимер е изключително добър при преобразуването на електрическа енергия в механична деформация. Този материал обещава да се превърне във високоефективен контролер на движение или линеен задвижващ механизъм с голям потенциал за приложения в медицински устройства, усъвършенствана роботика и системи за прецизно позициониране, според изследователите.
Механичната деформация – промяната във формата на материала при прилагане на сила – е важно свойство на актуатора, или всеки материал, който се променя или деформира, когато се прилага външна сила, като електрическа енергия. Традиционно материалите за задвижване са твърди, но меките варианти показват по-голяма гъвкавост и адаптивност към околната среда.
Изследването демонстрира потенциала на фероелектричните полимерни нанокомпозити за преодоляване на ограниченията на традиционните пиезоелектрични полимерни композити, откривайки път за разработване на меки задвижващи механизми с подобрени характеристики на деформация и плътност на механичната енергия. Меките задвижващи механизми са от особен интерес за изследователите в областта на роботиката, поради тяхната здравина, мощност и гъвкавост.
„Потенциално бихме могли да имаме вид мека роботика, която наричаме изкуствени мускули. Това ще ни позволи да получим мека материя, способна да издържи голямо натоварване в допълнение към голяма деформация. Този материал ще имитира по-точно човешкия мускул“, казва Кинг Уанг, професор по материалознание и инженерство в Университета на Пенсилвания и съавтор на изследването.
Преди тези материали да могат да отговорят на очакванията на учените, те трябва да преодолеят няколко препятствия и изследването предлага възможни решения на проблемите. Първият е как да се увеличи силата на удара на меките материали. Учените знаят, че меките материали, които са полимери, имат най-голяма деформация, но генерират много по-малко сила в сравнение с пиезоелектричната керамика.
Вторият проблем е, че фероелектричното полимерно задвижване обикновено изисква много високо задвижващо поле, тоест сила, която налага промяна в системата, например чрез промяна на формата. В този случай е необходимо високо задвижващо поле, за да се създаде промяна във формата на полимера, необходима за фероелектричната реакция, която пък е необходима за превръщане на материала в актуатор.
Предложеното решение за подобряване на работата на фероелектричните полимери е да се разработи перколационен нанокомпозит на базата на фероелектричен полимер – вид микроскопичен стикер, прикрепен към полимера. Чрез включване на наночастици в един тип полимер, поливинилиден флуорид, изследователите създават взаимосвързана мрежа от полюси в полимера.
„Този нов материал може да се използва за много устройства, които изискват ниско задвижващо поле, за да бъдат ефективни, като медицински устройства, оптични устройства и мека роботика“, казва професор Куинг Уанг. С увереност може да се каже, че този материал ще стане незаменим в устройствата за дистанционни неврохирургични операции.