Глава 5. Полимеры и искусственные мышцы -

замена механических приводов

Инженеры, занимающиеся созданием механических приводов, давно пы­таются найти искусственный эквивалент живым мышцам, которые в ответ на нервный импульс сокращаются с силой, достаточной, чтобы опустить веко или поднять штангу. Благодаря масштабной инвариантности они одинаково эффективны при любых размерах - одна и та же мышечная ткань приводит в движение и насекомое, и слона.

Создание искусственных мышц связано с электроактивными полимерами (ЭАП). Лаборатория SRI International в Менло-Парк, штат Калифорния. заключила несколько научно-производственных контрактов с правительством США и крупнейшими производителями автомобилей, электроники, медицинской аппаратуры, обуви и игрушек, заинтересованными в замене дорогих микроэлектродвигателей на дешевые и легкие искусственные мышцы.

До появления ЭАП у микроэлектродвигателей была всего одна альтерна­тива - использование пьезокерамики. Если подать электрическое напряжение на пьезокристалл, то он деформируется и наоборот, если его деформировать, он наэлектризуется.

Реагирующие пластики. Полимеры, изменяющие форму под действием электрического поля, можно разделить на две группы, имеющие свои преимущества и недостатки:

● Ионные ЭАП включают в себя ионные полимерные гели, иономерные полимерметаллические композиты, проводящие полимеры и углеродные нанотрубки. Их действие основано на электрохимии -движении или диффузии заряженных ионов. Они работают от обычной батареи, поскольку даже небольшое напряжение приводит к значительной деформации. К сожалению, такие материалы должны быть постоянно влажными, и их приходится заключать в гибкую герметичную оболочку. Есть и другой существенный недостаток: материал движется все время, пока через него течет ток. Если напряжение превышает определенный уровень, начинается электролиз, необратимо повреждающий материал.

● Электронные ЭАП, такие как ферро-электрические полимеры и электрострикционные привитые эластомеры, приводятся в действие электрическим полем высокого напряжения, что связано с определенной опасностью. Однако материалы этой группы отличаются высоким быстродействием и значительными механическими усилиями. Им не требуется защита поверхности, а в фиксированном положении они почти не потребляют энергии.

Электризуемая резина. Все изолирующие пластики, такие как поли-уретан, под действием электрического поля сжимаются вдоль силовых линий и расширяются перпендикулярно им. Это явление носит название максвелловской деформации. Оно известно давно, но обычно рассматривалось как побочный эффект

Полимеры более мягкие, чем полиуретан, сильнее деформируются под действием электростатического поля. Испытывая мягкие силиконы, ученые из SRI вскоре достигли вполне удовлетворительных значений удельного смещения - от 20% до 30%. Новые материалы - силиконы и другие мягкие пластики - были названы эластомерами.

Два достижения ученых в 1999 г. вызвали большой интерес государст-венных и частных заказчиков:

●Во-первых, предварительное растяжение полимеров радикально улучшает их характеристики и способствует увеличению коэффициента деформации и электрической прочности на пробой почти в 100 раз.

●Во-вторых, акриловый эластомер способен претерпевать гигантские деформации (до 380%) с выделением большого количества энергии.

Реализация. Полезный эффект можно получить при использовании многих акриловых и силиконовых полимеров. Для производства искусственных мышц, работающих в экстремальных условиях открытого космоса, подойдут силиконовые пластики, функционирующие в вакууме даже при -100°С.

Для активации эластомеров требуется довольно высокое напряжение -от 1 кВ до 5 кВ. Однако устройства работают при очень малых токах и поэтому мало нагреваются. Чем выше напряжение, тем больше достигаемое растяжение и усилие. Единственное ограничение - электрическая прочность диэлектрика на пробой.

Недавно ученым удалось понизить напряжение активации некоторых композитов из электрострикционных полимеров и других материалов.

Хотя искусственные мышцы гораздо легче электромоторов, инженеры SRI продолжают работать над снижением веса мышечных приводов за счет облегчения внешних конструкций, обеспечивающих предварительное напряжение полимеров.

Линейные приводы. Для изготовления пружинных валиков (spring rolls) инженеры наматывают вокруг спиральной пружины несколько слоев пленки из предварительно напряженного ламинированного эластомера. Сжатие пружины обеспечивает предварительное напряжение по внешней поверхности, а предварительное сжатие пленки в продольном направлении удерживает пружину в сжатом состоянии. При подаче электричества пленка утончается, растягиваясь в продольном направлении, и пружина удлиняется. Такие устройства заинтересовали автомобилестроителей: они компактны, обеспечивают большие усилия и могут вытеснить электродвигатели, применяемые для автоматического управления положением сидений и в кла­панной системе высокоэффективных безкулачковых двигателей. Изгибающиеся валики. На внешней поверхности пружинного валика можно расположить пленку, состоящую из нескольких секций с индивидуаль­ными электродами. Активация одного сегмента вызовет его удлинение, и весь валик наклонится в противоположную сторону. Подобные механизмы могут выполнять сложные движения, которые трудно воспроизвести с помощью обычных моторов и зубчатых передач. Они найдут применение в управляемых медицинских катетерах и в так называемых роботах-змеях.

Пушпульные приводы. Пара пластин из диэлектрического эластомера или пара пружинных валиков может быть включена по схеме «тяни-толкай» (push-pull). Переключая напряжение с одного элементарного привода на другой, можно обеспечить возвратно-поступательное движение. Одновременная активация обоих устройств позволяет получить жесткую сборку в нейтральном положении. Такой привод может работать как противостоящие друг другу бицепс и трицепс, управляющие движением

человеческой руки (рис.5.1 и 5.2.).

Рис.5.1. Полимерные мускулы

Громкоговорители. Если натянуть пленку из диэлектрического эласто­мера на рамку, то, подчиняясь поданному электрическому сигналу, она начнет

быстро сжиматься и расширяться, издавая звук. Такое устройство может работать как легкий, плоский и недорогой громкоговоритель..

Насосы. Конструкция диафрагменного насоса из диэлектрического эла­стомера аналогична конструкции громкоговорителя, к которому добавлен резервуар и два однопроходных ограничительных клапана для управления потоком жидкости.

Датчики. Благодаря своей пьезоэлектрической природе все разрабатыва­емые в SRI устройства с диэлектрическими эластомерами генерируют электри-

Рис.5.2.Насекомообразный робот по имени Flex передвигает

конечности с помощью искусственных мускулов

ческий сигнал в ответ на изгиб или растяжение. Таким образом, каждое из них представляет собой однокомпонентный датчик. Уже раз­работана конструкция сенсоров, определяющих степень натяжения авто­мобильных ремней безопасности. Кроме того, похожие датчики могут быть встроены во многие волокнистые материалы и ткани.

Насосы. Конструкция диафрагменного насоса из диэлектрического эла­стомера аналогична конструкции громкоговорителя, к которому добавлен резервуар и два однопроходных ограничительных клапана для управления потоком жидкости.

Управляемые поверхности. Если на полимер нанести определенный рисунок из электродного покрытия, то можно получить поверхность с управляемым рельефом. Технология подходит для создания камуфляжных тканей с изменяемой отражательной способностью и получения «ребрышек», улучшающих аэродинамические характеристики самолетных крыльев. Источники электропитания. Способность ЭАП в результате деформации генерировать электричество позволяет изготавливать на их основе электрогенераторы с переменной емкостью. Армия США финансирует разработку «каблучных» генераторов - портативных источников питания, заменяющих батареи. Делая один шаг в секунду, человек среднего веса может вырабатывать мощность порядка 1 Вт. Изобретение уже привлекло внимание обувных компаний (рис.5.3). Аналогичные устройства нетрудно вмонтировать в лямки рюкзака или в подвеску автомобиля. Возможно, новая концепция найдет применение в волновых и ветровых электрогенераторах.

Недавно испытан «полимерный двигатель». В закрытой камере воспламенялся пропан, и давление, созданное продуктами сгорания, деформировало диафрагму из диэлектрического эластомера, вырабатывающую электричество. На очереди устройства внешнего сгорания, основанные на

.

Рис.5.3.Ботинки-генератор

цикле Стерлинга. Со временем конструкторы планируют соз­дать эффективные генераторы размером не больше сантиметра[77 ].

Вопросы для самостоятельной работы

1.Какие полимеры в настоящее время оказались перспективными

для производства искусственных мышц, в том числе работающих в экстремальных условиях открытого космоса.

2.Где в машиностроении будет целесообразно использовать искусственные полимерные мышцы.