Научници развијају издржљив материјал за флексибилне вештачке мишиће

Филм величине 4к5 инча направљен од 10 слојева обрадивих диелектричних еластомера високих перформанси (PHDE) сложених заједно са 20 актуатора. Заслугом: Лабораторије за истраживање меких материјала/UCLA

 Извор: са Универзитета Калифорније, Лос Анђелес

Научници за материјале UCLA и колеге у непрофитном научноистраживачком институту "SRI International" развили су нови материјал и производни процес за стварање вештачких мишића који су јачи и флексибилнији од "биолошких колега".

„Стварање вештачког мишића који би омогућио рад и детектовање силе и додира био је један од великих изазова науци и инжењерингу“, рекао је Кибинг Пеи, професор науке о материјалима и инжењеринга на UCLA Samueli School of Engineering и одговарајући аутор студије. (студија је недавно објављена у Science).

Да би се меки материјал сматрао употребљивим као вештачки мишић , он мора бити способан да произведе механичку енергију и да остане одржив у условима високог напрезања - што значи да не губи лако своју форму и снагу након поновљених радних циклуса. Док се многи материјали сматрају кандидатима за прављење вештачких мишића, диелектрични еластомери (DE) — лагани материјали са високом еластичном густином енергије — били су од посебног интереса због своје оптималне флексибилности и жилавости.

Видео који приказује PHDE филм и актуаторе који пролазе кроз тестове. Заслуга: Лабораторија за истраживање меких материјала/UCLA.

Диелектрични еластомери су електроактивни полимери, који су природне или синтетичке супстанце састављене од великих молекула који могу променити величину или облик када су стимулисани електричним пољем . Могу се користити као актуатори, омогућавајући машинама да раде претварањем електричне енергије у механички рад.

Већина диелектричних еластомера је направљена од акрила или силикона, али оба материјала имају недостатке. Док традиционални акрилни DE могу постићи велики напон при покретању, они захтевају претходно истезање и немају флексибилност. Силиконе је лакше направити, али не могу да издрже велика оптерећења.

Користећи комерцијално доступне хемикалије и користећи процес полимеризације ултраљубичастим (UV) светлом, истраживачки тим предвођен UCLA створио је побољшани материјал на бази акрила који је савитљивији, подесивији и једноставнији за скалирање без губитка снаге и издржљивости. Док акрилна киселина омогућава формирање више водоничних веза , чинећи материјал покретљивијим, истраживачи су такође прилагодили умрежавање између полимерних ланаца, омогућавајући еластомерима да буду мекши и флексибилнији. Резултујући танак, обрадив, диелектрични еластомерни филм високих перформанси, или PHDE, се затим ставља у сендвич између две електроде да би се електрична енергија претворила у покрет.

Сваки PHDE филм је танак и лаган као комад људске косе, дебљине око 35 микрометара, а када се више слојева сложи заједно, они постају минијатурни електрични мотор који може да делује као мишићно ткиво и производи довољно енергије за стимулисање покрета за мале роботе или сензоре. Истраживачи су направили много PHDE филмова, слажући их у распону од четири до 50 слојева.

„Овај флексибилан, свестран и ефикасан актуатор могао би отворити могућност примене за вештачке мишиће нових генерација робота, или код сензора и носивим технологијама које могу прецизније опонашати или чак побољшати кретање и способности човека“, рекао је Пеи.

Робот за скакање, пречника око 1,2 центиметра, опремљен PHDE актуаторима. Заслуга: Лабораторија за истраживање меких материјала/UCLA.

Вештачки мишићи опремљени PHDE актуаторима могу да генеришу више мегапаскала силе од биолошких мишића и такође показују три до 10 пута већу флексибилност од природних мишића.

Вишеслојни мекани филмови се обично производе "мокрим" процесом који укључује наношење и очвршћавање течне смоле. Али тај процес може резултовати неуједначеним слојевима, што доводи до лошег учинка актуатора. Из тог разлога, до сада су многи актуатори били успешни само као једнослојни DE филмови.

Истраживање UCLA укључује тзв. "суви" процес којим се филмови наносе слојевито, а затим УВ-очвршћавају да би се стврднули, чинећи слојеве уједначеним. Ово повећава излазну енергију актуатора тако да уређај може подржавати сложеније покрете.

Поједностављени процес, заједно са флексибилном и издржљивом природом PHDE-а, омогућава производњу нових меких покретача способних да се савијају, скачу, попут паукових ногу, или да се уврћу и окрећу. Истраживачи су такође показали способност PHDE актуатора да баци лопту величине грашка 20 пута тежу од PHDE филмова. Актуатор се такође може ширити и скупљати као дијафрагма када се напон укључи и искључи, пружајући увид у то како би се вештачки мишићи могли користити у будућности.

Напредак би могао довести до производње меких робота са побољшаном мобилношћу и издржљивошћу, као и до нових носивих и хаптичких технологија са осећајем додира. Производни процес се такође може применити на друге меке танкослојне материјале за апликације укључујући микрофлуидне технологије, инжењеринг ткива или микрофабрикацију.