Ferrosähkömateriaali voisi antaa roboteille lihakset

Penn Staten johtaman kansainvälinen tutkijaryhmä on kehittänyt uudentyyppinen ferrosähköisen polymeeriin, joka on poikkeuksellisen hyvä muuntamaan sähköenergiaa mekaaniseksi jännitykseksi. Siten se olisi lupaava tehokkaana liikeohjaimena tai toimilaitteena, jolla on suuri potentiaali sovelluksiin lääketieteellisissä laitteissa, edistyneessä pehmeässä robotiikassa ja tarkkuustason liikeohjausjärjestelmissä.

Perinteisesti tällaiset toimilaitemateriaalit olivat jäykkiä, mutta pehmeät toimilaitteet, kuten ferrosähköiset polymeerit, osoittavat suurempaa joustavuutta ja ympäristöön sopeutumiskykyä.

Tutkimus osoitti ferrosähköisten polymeerien nanokomposiittien potentiaalin voittaa perinteisten pietsosähköisten polymeerikomposiittien rajoitukset, mikä tarjoaa lupaavan tien kehittää pehmeitä toimilaitteita, joilla on parannettu jännityskyky ja mekaaninen energiatiheys. Pehmeät toimilaitteet kiinnostavat erityisesti robotiikan tutkijoita vahvuutensa, tehonsa ja joustavuutensa vuoksi.

Vaikka monet ferrosähköiset materiaalit ovat keraamisia, ne voivat olla myös polymeerejä, luontaisia ja synteettisiä materiaaleja, jotka on valmistettu monista samankaltaisista yksiköistä, jotka on liitetty yhteen.

Ferrosähköisten polymeerien etuna on, että niissä on valtava määrä sähkökentän aiheuttamaa jännitystä, jota tarvitaan toiminnassa. Tämä jännitys on paljon suurempi kuin muiden toimilaitteissa käytettävien ferrosähköisten materiaalien, kuten keramiikan, synnyttämä rasitus.

Ferrosähköisillä polymeerien normalisoidut elastisen energiatiheydet ovat kuitenkin suuruusluokkaa pienempiä kuin pietsosähköisten keramiikan ja kiteiden, mikä rajoittaa vakavasti niiden käytännön sovellutuksia pehmeissä toimilaitteissa.

Ferrosähköisten polymeerien suorituskyvyn parantamiseksi ehdotettu ratkaisu oli perkolatiivisen ferrosähköisen polymeerin nanokomposiitin liittäminen polymeeriin. Sisällyttämällä nanopartikkeleita tiettyyn polymeerityyppiin, tutkijat loivat polymeeriin toisiinsa yhdistetyn napaverkon.

Tämä verkko mahdollisti ferrosähköisen faasin muutoksen indusoimisen paljon pienemmillä sähkökentillä kuin normaalisti vaadittaisiin. Tämä saavutettiin Joule-lämmityksellä, joka tapahtuu, kun johtimen läpi kulkeva sähkövirta tuottaa lämpöä.

Joule-lämmityksen käyttäminen nanokomposiittipolymeerin faasimuutoksen indusoimiseen johti siihen, että tarvittiin vain alle 10 % ferrosähköiseen faasimuutokseen tyypillisesti tarvittavan sähkökentän voimakkuudesta.

"Yleensä tämä jännitys ja voima ferrosähköisissä materiaaleissa korreloivat keskenään, käänteisessä suhteessa", Wang sanoi. "Nyt voimme yhdistää ne yhdeksi materiaaliksi ja kehitimme uuden lähestymistavan sen ohjaamiseen Joule-lämmityksellä.

Aiheesta aiemmin:

Kevyempiä ja pehmeämpiä ja robotteja

Monipuolinen ferrosähköisyys