Заполненный жидкостью полимер стал актуатором для мягких роботов

Инженеры из Китая разработали электрофлюидный актуатор для мягких роботов, для работы которого требуется только источник высокого напряжения и не нужны ни насосы, ни система трубопроводов. Он состоит из мягкого полимерного материала с герметичной полостью, заполненной диэлектрической жидкостью, в которую погружен электрод. Сильное электрическое поле вокруг находящегося под высоким напряжением электрода индуцирует потоки жидкости внутри замкнутого объема актуатора, что приводит к его деформации. Инженеры продемонстрировали возможность создания актуаторов, действующих как в продольном, так и в поперечном направлении. К примеру, один из работающих на поперечный изгиб актуаторов под действием напряжения 16 киловольт отклонился на угол более 35 градусов за 197 миллисекунд. Для демонстрации практического применения инженеры создали дистанционно управляемую модель робоската, которая развила скорость около 0.13 длин тела в секунду. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Инженеры давно работают над созданием роботов из мягких материалов, которые подходят для выполнения задач, требующих осторожного обращения с окружением и человеком, например, для применения в области медицины. Кроме этого, роботы из мягких материалов могут обладать большим числом степеней свободы, что позволяет им подстраиваться под сложный рельеф или форму предмета, с которым они взаимодействуют. К примеру, гибкое робощупальце, разработанное австралийскими инженерами, легко захватывает и крепко удерживает объекты сложной формы, обвиваясь вокруг них.

Ключевой проблемой в этой области остается способ актуации, то есть метод с помощью которого робот или его отдельные части приводятся в движение. В случае мягких роботов актуация происходит за счет деформации самих актуаторов, что обычно достигается применением пневматики или гидравлики как наиболее простых способов. Однако в этом случае в конструкции должны быть нагнетающие давление насосы и системы трубопроводов для подачи воздуха или жидкости, что приводит к увеличению веса и объема устройства.

Китайские инженеры под руководством Вэй Тана (Wei Tang) из Чжэцзянского университета в Ханчжоу разработали мягкий электрофлюидный актуатор, в работе которого применяется жидкость, но который при этом не требует дополнительного громоздкого оборудования типа насосов и трубопроводов для передачи давления. Актуатор изготавливается из гибкого полимерного материала, например силикона, и содержит внутри себя полость, заполненную диэлектрической жидкостью. Внутрь этого эластичного «пакета» с жидкостью помещается электрод, например вольфрамовый стержень. Вторым электродом служит окружающая снаружи актуатор вода, или нанесенный на внешнюю сторону проводящий состав, содержащий углерод, если актуатор находится в воздушной среде.

Высокое напряжение, поданное на электрод внутри актуатора, создает вокруг него сильное неоднородное электрическое поле, которое приводит к процессу диссоциации и возрастанию концентрации свободных ионов в жидкости (эффект Вина). Это в свою очередь приводит к сильному градиенту пространственного заряда, уменьшающемуся с увеличением расстояния от электрода, и возникновению потока жидкости в направлении от заряженного стержня. Образовавшийся поток жидкости приводит к возрастанию давления в замкнутом «кармане» актуатора и его растягиванию.

Эффект зависит от приложенного напряжения и исчезает после выключения поля. Также на генерируемый поток жидкости и величину растяжения, а следовательно, и на эффективность актуации, влияет материал, из которого изготовлен электрод, глубина его погружения в полость и тип диэлектрической жидкости. Наилучшего результата разработчики смогли добиться с вольфрамовым электродом, погруженным в раствор гидрогеля в триацетине.

Для того чтобы изучить характеристики получившегося актуатора, инженеры подвесили его, закрепив с противоположного конца груз, и стали подавать высокое напряжение с разной частотой и формой импульсов. Как оказалось, предварительная преднагруженность также влияет на эффективность работы. Это связано с тем, что растяжение актуатора приводит к уменьшению расстояния между положительным и отрицательным электродами, повышая напряженность поля. При напряжении 16 киловольт под нагрузкой 300 граммов актуатор растягивается на 24 процента, а при весе груза 350 грамм этот параметр достигает около 37 процентов. Время отклика растягивающегося продольно актуатора на приложенное напряжение составило около 60 миллисекунд в воде и около 52 миллисекунд в воздухе под нагрузкой 300 граммов.

Актуаторы можно объединять вместе. Например, чтобы повысить силу актуации можно соединить несколько актуаторов параллельно, а для того, чтобы увеличить суммарную длину, на которую происходит смещение в результате растяжения, их необходимо присоединить друг к другу последовательно. Объединив параллельно три актуатора, инженеры построили модель мышцы-антагониста, которая способна привести в движение небольшой груз весом 10 граммов, закрепленный на конце штанги, имитирующей конечность.

С помощью предложенной инженерами технологии можно создавать актуаторы, действующие не только в продольном, но и поперечном направлении. Для этого необходимо, чтобы верхняя и нижняя половины материала, образующего карман для жидкости, имели различную жесткость. В этом случае под действием электрофлюидной струи первым делом будет деформироваться более мягкий материал, что приведет к сгибанию актуатора и отклонению его в сторону более жесткого материала.

Сгибающий актуатор, изготовленный из силикона и полидиметилсилоксановой мембраны смог отклониться на 35 градусов при напряжении 16 киловольт на электроде за время около 197 миллисекунд. Используя два таких актуатора, инженеры продемонстрировали возможность их практического применения, создав дистанционно управляемую модель робоската, развивающего скорость около 0.13 длин тела в секунду.

Помимо преимуществ, таких как компактность и высокая скорость работы, авторы отметили также и существующие недостатки новых электрофлюидных актуаторов. Например, помимо очевидного несоответствие материала вольфрамового электрода концепции мягкости, он может стать причиной прокола и разгерметизации внутреннего пространства с жидкостью. В этом случае создаваемое давление приведет к выкачиванию жидкости из рабочей полости через прокол. Эта проблема может быть устранена выбором другого материала для внутреннего электрода. Кроме этого, существует риск электрического пробоя диэлектрического материала актуатора при излишнем сближении стенок мембран, образующих карман с высоковольтным электродом, во время работы или при внешнем воздействии. В будущем разработчики планируют разработать метод защиты областей оболочки, расположенных вблизи электрода, а также продолжить поиск жидкости, реагирующей на другие методы воздействия, например магнитное поле или облучение светом.

Ранее мы рассказывали об американских инженерах, которые разработали роботекстиль, формой которого можно управлять. В основе лежит процесс испарения при нагревании и процесс конденсации при охлаждении жидкости, заполняющей герметичные полости внутри текстиля.

Андрей Фокин