Жидкокристаллический эластомер заставил робочервя двигаться

Американские инженеры создали робочервя, состоящего из самосгибаемых модулей, каждый из которых приводится в движение с помощью актуатора на основе жидкокристаллического эластомера — полимерного материала, сочетающего в себе свойства жидких кристаллов с эластичностью эластомеров. Такие актуаторы можно будет использовать для механизмов и роботов, движение которых связано со сгибанием, например построенных с применением техники оригами, говорится в статье, принятой к публикации в журнале Smart Materials and Structures.

Древнее японское искусство сгибания фигурок из бумаги оригами давно привлекает внимание инженеров, которые применяют принципы, лежащие в основе этой техники для создания конструкций и механизмов, способных изменять свою форму. Например, применяются развертываемые конструкции для космических аппаратов, которые в свернутом виде занимают меньший объем, освобождая место для другой полезной нагрузки.

Для приведения в движение роботов и механизмов, чьи морфология и функции основаны на концепции оригами, необходимы актуаторы, обеспечивающие эффективное сгибание и разгибание узлов. Механические сервоприводы в устройствах с большим количеством сгибаемых узлов значительно усложняют конструкцию, а пневматические или гидравлические актуаторы неудобны из-за возможных утечек. Поэтому ученые ищут новые материалы для этой задачи.

Американские инженеры под руководством Адрианы Минори (Adriane F. Minori) и Майкла Толли (Michael T. Tolley) разработали многослойный самосгибающийся актуатор на основе полимерного материала, сочетающего в себе эластичность со свойствами самоорганизации жидких кристаллов — жидкокристаллического эластомера. Полимерные цепи в этом материале образованы стержневидными структурами, известными как мезогены, которые способны изменять свою пространственную ориентацию.

До тех пор, пока температура материала ниже определенного предела, все мезогены выстроены в одном направлении. Однако при температуре выше предельной мезогены ориентируются хаотически, образуя изотропную фазу без выделенного внутреннего направления. Макроскопически этот фазовый переход проявляется в деформации (сжатии) материала.

Используя это свойство материала, инженеры создали механизм Саррюса, преобразующий движение по окружности в прямолинейное одноосное движение. Экспериментальный модуль представляет собой многослойную конструкцию из слоев текстолита и полиэстра, скрепленных силиконовым скотчем, между которыми находится полоса из предварительно растянутого жидкокристаллического эластомера с встроенным электрическим нагревателем. Когда при нагреве значение температуры превышает температуру фазового перехода материала, происходит сокращение длины эластомера, что приводит к срабатыванию механизма и изменению формы модуля: он переходит из плоского состояния в объемное. При отключении тока, охлаждении и переходе жидкокристаллического эластомера в первоначальную фазу его длина увеличивается и механизм возвращается в исходное состояние. 

Эксперименты показали, что модуль с эластомерным актуатором способен поднимать и удерживать груз на своей верхней площадке, превосходящий собственный вес (2,6 граммов) соответственно в 13 раз и 38 раз.

Для демонстрации совместной работы нескольких актуаторов, инженеры соединили между собой последовательно три модуля, создав единый механизм, имитирующий движения червя. Прикрепив фрикционные накладки к нижним частям модулей для улучшения трения с поверхностью, разработчики сумели разогнать модульного робочервя до средней скорости 2,1 миллиметра в минуту.

Низкая скорость работы механизма с жидкокристаллическим эластомерным актуатором связана с невысокой теплопроводностью и медленным охлаждением эластомера после отключения нагревателя. Однако, как отмечают авторы работы, этот параметр может быть улучшен за счет внедрения дополнительного охлаждения нагреваемых участков, чему будут посвящены будущие исследования. Кроме того, низкую теплопроводность можно использовать для изолированного нагрева отдельных участков ЖК эластомера без воздействия на соседние области.

Инженеры из Иллинойского университета тоже создали робочервя, экспериментируя с техникой оригами. Его основную подвижную часть сложили из бумаги. А британские инженеры использовали оригами для создания защитного бампера для дронов.