Диэлектрические эластомеры, мягкие материалы, обладающие хорошими изоляционными свойствами, могут стать альтернативой пневматическим приводам, но в настоящее время они требуют сложной и неэффективной схемы для подачи высокого напряжения, а также жестких компонентов для сохранения своей формы — и то, и другое противоречит цели мягкости. робот.Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) разработали диэлектрический эластомер с широким диапазоном движений, для которого требуется относительно низкое напряжение и отсутствие жестких компонентов. Недавно они опубликовали свою работу в Advanced Materials.
«Мы думаем, что это может стать святым Граалем мягкой робототехники», — сказал Мишу Дудута, аспирант SEAS и первый автор статьи. «Электричество легко хранить и доставлять, но до сих пор электрические поля, необходимые для питания приводов в мягких роботах, были слишком высокими. Это исследование решает множество проблем мягкого срабатывания за счет снижения напряжения срабатывания и увеличения плотности энергии, устраняя при этом жесткие компоненты."Дудута является соавтором статьи с Робертом Вудом, профессором инженерных и прикладных наук Чарльз Ривер, и Дэвидом Кларком, профессором материалов из расширенной семьи Тарр.При создании нового диэлектрического эластомера команда объединила два известных материала, которые хорошо работали по отдельности: эластомер на основе одного, разработанного в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, который устранил необходимость в жестких компонентах, и электрод из углеродных нанотрубок, разработанный в лаборатории Кларка.
Взаимодополняющие свойства этих двух материалов позволили новому устройству превзойти стандартные приводы из диэлектрического эластомера.Большинство диэлектрических эластомеров имеют ограниченный диапазон движения, и их необходимо предварительно растянуть и прикрепить к жесткой раме. Начиная с эластомера, который не требует предварительного растяжения, разработанного исследователями из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, модифицированные материалы начинаются как жидкости и могут быстро отверждаться под ультрафиолетовым светом для производства листов толщиной с бумагу. Они липкие, как двусторонний скотч, поэтому могут хорошо прилегать друг к другу и к электродам.
Для электродов команда заменила углеродную смазку, которая обычно используется в качестве электрода в диэлектрических эластомерах, матом из тонких углеродных нанотрубок. Нанотрубки не увеличивают жесткость эластомера и не уменьшают плотность энергии — это означает, что эластомер все еще может растягиваться и обеспечивать значительную силу. Команда изготовила эластомеры один над другим, создав многослойный сэндвич из эластомера, электрода, эластомера, электрода и так далее.
Таким образом, каждый электрод используется дважды, питая эластомер сверху и снизу.«Напряжение, необходимое для приведения в действие диэлектрических эластомеров, напрямую связано с толщиной материала, поэтому вы должны сделать диэлектрический эластомер как можно более тонким», — сказал Дудута. «Но действительно тонкие эластомеры хрупкие и не могут создавать силу. Многослойный эластомер намного прочнее и действительно может обеспечить значительную силу». «Значение этой работы состоит в том, что сочетание материалов и обработки позволяет преодолеть два текущих технических ограничения диэлектрических эластомеров — необходимость в высоком напряжении и предварительном растяжении», — сказал Кларк.
Этот тип привода может использоваться во всем, от носимых устройств до мягких захватов, лапароскопических хирургических инструментов, полностью мягких роботов или искусственных мышц в более сложной робототехнике.«Приведение в действие — одна из самых сложных задач в робототехнике, — сказал Вуд. «Подавляющее большинство существующих роботов полагаются на обычные электромагнитные роторные двигатели.
В случаях, когда мы не можем использовать такие двигатели, например, в мягких роботах, есть несколько альтернатив для высокопроизводительного срабатывания. Этот прорыв в области мягких приводов с электрическим управлением приближает нас к мускулистым характеристикам в спроектированной системе и открывает двери для бесчисленных приложений в мягкой робототехнике ».