Жидкий сплав превратил жидкие кристаллы в чувствительный к нажатию актуатор

Biao Ma et al. / ACS Applied Materials & Interfaces, 2021

Китайские исследователи научились создавать полимерные полоски, изгибающиеся при нагревании, растяжении или давлении, а также работающие как датчики деформации. Полоска состоит из жидкокристаллического эластомера, деформирующегося при нагревании, и каналов с жидким при комнатной температуре сплавом, выступающих в качестве электронагревателей. В качестве примера применения авторы сделали захват для небольших предметов с такой конструкцией. Статья опубликована в ACS Applied Materials & Interfaces.

В большинстве устройств, будь то аппараты или роботы, для движения используются электрические моторы или двигатели внутреннего сгорания, создающие вращательное движение, которое при помощи механических передач можно превратить в другое, к примеру, поступательное. В качестве альтернативы моторам исследователи много лет работают над различными деформирующимися актуаторами или искусственными мышцами. Как правило, они представляют собой фрагменты материала, чаще всего полимера, которые сокращаются, расширяются или изгибаются под действием внешнего стимула: изменения температуры, облучения определенной длиной волны или обычным светом и другими. Полимерные актуаторы пока не получили массового распространения, но ученые предполагают, что благодаря эластичности в будущем их можно будет применять в медицине и других областях, в которых актуаторы могут напрямую взаимодействовать с человеком.

Ученые под руководством Чао Чжао (Chao Zhao) и Хун Лю (Hong Liu) из Юго-Восточного университета разработали новый актуатор с необычной конструкцией, способный реагировать на прикосновения. Он представляет собой плоскую полоску и состоит из трех слоев. Нижний слой — жидкокристаллический эластомер. Он состоит из мезогенов — стержневых структурных элементов. Одно из важных свойств этого материала заключается в том, что под действием нагревания или охлаждения мезогены могут менять свою ориентацию.


Чтобы воспользоваться этим свойством, авторы сначала создавали плоские листы ЖК-эластомера со свободно связанными мезогенами, формирующими полидоменную структуру с множеством областей, в которых есть локальная ориентация, но без глобальной единой ориентации на уровне всего листа. Затем они растягивали лист в несколько раз вдоль одного направления, ориентируя мезогены соответствующим образом, и фотополимеризовали его, связывая молекулы между собой и фиксируя строение материала.

Над нижним слоем из ЖК-эластомера располагается слой жидкого при комнатной температуре сплава, состоящего из галлия и индия, а также добавленных частицах никеля. Их исследователи добавили для того, чтобы при помощи магнита расположить на поверхности эластомера в форме линий. Они нанесли на ЖК-эластомер тонкую пленку и вырезали в ней дорожки для сплава, практически не задевая при этом нижний слой. Затем они нанесли внутрь дорожек сплав, притягивая его к нижнему слою с помощью магнита, чтобы он полностью заполнил дорожки. После этого ученые удалили временную пленку, в которой были вырезаны дорожки, и нанесли третий слой — тонкую силиконовую пленку с термохромным веществом, меняющим цвет при нагревании.

Такая конструкция по сути представляет собой резистивный нагреватель с переменным сопротивлением. При нагревании ориентированная структура из мезогенов переходит в разориентированное состояние. Из-за этого жидкокристаллический слой сокращается, а поскольку сверху на нем закреплен слой силиконовый слой, сохраняющий свои размеры, вместе они начинают изгибаться из-за образующейся разницы в длине.

На основе этой конструкции авторы создали несколько устройств-прототипов. Один из них представляет собой полоску, в которой есть цепь с двумя одинаковыми параллельными фрагментами из жидкого сплава. При нажатии пальцем на один из них ток во втором увеличивается, а значит и нагревание тоже происходит интенсивнее, поэтому эта часть полоски изгибается.

Используя аналогичную конструкцию, но с короткой дорожкой между двух длинных параллельных фрагментов цепи, авторы создали автоматический захват, который активируется, когда какой-либо предмет упирается в его центр, увеличивая тем самым ток в боковых ответвлениях и провоцируя их изгиб. Кроме того, они показали, что растяжение также можно использовать для увеличения нагрева в некоторых частях актуатора и их активации.

Ученые использовали в своей работе непрозрачные материалы, но ранее другая группа научилась создавать из жидкого сплава прозрачный, электропроводный и эластичный материал. Они добились этого благодаря тому, что использовали крайне тонкие дорожки из сплава.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.