Российские ученые разработали миллисекундный газовый микроактуатор

Российские ученые создали микроактуатор, работающий на электролизе. Он состоит из заполненной электролитом камеры с электродами, покрытой мембраной. Во время электролиза получающийся газ толкает мембрану, а затем сгорает и мембрана возвращается в исходное положение. В отличие от аналогов, такой актуатор может двигаться с частотой в сотни герц, сообщают ученые в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.

В последние десятилетия ученые достигли большого прогресса в миниатюризации устройств, и на основе этого возникли целые новые классы техники, к примеру, микрофлюидные чипы или микроэлектромеханические системы. Но в таких устройствах нужны источники движения, а обычные электромоторы зачастую сложно миниатюризировать. Из-за этого ученые разрабатывают актуаторы новых типов, которые можно использовать в таких небольших устройствах.

Исследователи под руководством Виталия Светового (Vitaly B. Svetovoy) из Ярославского Филиала Физико-Технологического Института РАН и Гронингенского университета создали пневматический микроактуатор новой конструкции. Он состоит из круглой камеры диаметром 500 микрометров и высотой 8 микрометров. На дне камеры располагаются два концентрических круговых электрода, а сверху она закрыта 30-микрометровым слоем полимерной мембраны.

Для работы камера заполняется молярным водным раствором Na₂SO₄, который обеспечивает раствору высокую проводимость. На электроды актуатора подается быстро меняющийся переменный ток, который разлагает воду на водород и кислород, формирующие нанопузырьки. Эти пузырьки резко увеличивают объем камеры и поднимают эластичную мембрану. После того, как импульсы прекращаются, газы сгорают и снова превращаются в воду, причем, в отличие от больших пузырьков, это происходит за миллисекунды. Эта разница обусловлена тем, что большое соотношение площади поверхности к объему у нанопузырей облегчает реакцию.

Исследователи продемонстрировали работу актуатора, а также протестировали его при разных параметрах. Выяснилось, что он может работать при частоте вплоть до 667 герц. Ученые отмечают, что устройство может работать и при больших частотах, однако для этого нужно большее напряжение, а отклонение мембраны будет ниже. Также исследователи показали, что в некоторых случаях газ может взрываться, а мембрана при этом подниматься на 90 микрометров меньше, чем за сто микросекунд. Правда, после такого режима ученые заметили на мембране трещины.

Другие исследователи также разрабатывают микроустройства, работающие на основе газа. К примеру, американские ученые создали реактивные микродвигатели с лекарствами, которые, за счет выработки водорода, передвигаются по желудку и нейтрализуют его кислотную среду, после чего безопасно высвобождают лекарство. Летом 2017 года их испытали на мышах, которым таким образом доставили антибиотик.

Григорий Копиев