На этой неделе в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing исследователи из Харбинского технологического института в Вейхае, Китай, и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) обнаружили новое явление резонанса в вращающемся соединении диэлектрического эластомера, которое может заставить искусственный сустав изгибаться вверх-вниз, как взмахивающее крыло.
«Диэлектрический эластомер — это своего рода электроактивный полимер, который может деформироваться, если на него подать напряжение», — сказал Цзяньвен Чжао, доцент кафедры машиностроения Харбинского технологического института. Он сказал, что в большинстве исследований диэлектрических эластомеров для стимуляции движения сустава используется статическое или стабильное напряжение, которое заставляет сустав изгибаться под фиксированным углом, в то время как они заинтересованы в том, чтобы увидеть, как искусственный сустав реагирует на переменное или периодически изменяющееся напряжение.
«Мы обнаружили, что переменное напряжение может заставить соединение непрерывно изгибаться под разными углами.
В частности, когда вращательная инерция соединения или приложенное напряжение достаточно велики, соединение может деформироваться до отрицательных углов, другими словами, оно может изгибаться более чем на 90–180 градусов по принципу, отличному от обычного правила резонанса."
Чжао сказал, что это новое явление делает соединение из диэлектрического эластомера хорошим кандидатом для создания мягкого и легкого машущего крыла для роботизированных птиц, которое будет более эффективным, чем птичьи крылья на основе электродвигателей, из-за более высокой эффективности преобразования энергии (от 60 до 90 процентов). диэлектрического эластомера.
Мышечные приводы
Мягкая робототехника обеспечивает множество преимуществ по сравнению с традиционной робототехникой, основанной на жестких материалах, включая более безопасное физическое взаимодействие человека и робота, более эффективное / стабильное передвижение и адаптивную морфологию. Диэлектрические эластомеры, благодаря своим мягким и легким свойствам, а также превосходным электромеханическим характеристикам, считаются материалом, близким к мышцам человека, и в последние годы привлекают широкое внимание ученых, занимающихся мягкими технологиями.
Изготовленные из мягкой изолирующей эластомерной пленки между двумя податливыми электродами, диэлектрические эластомеры могут сжиматься и расширяться в плоскости при приложении напряжения между электродами. В отличие от приводов на основе жестких материалов, таких как кремний, диэлектрические эластомеры могут достигать очень большой степени растяжения, часто превышающего 100-процентное удлинение без разрушения, что открывает новые возможности во многих областях, включая мягкую робототехнику, настраиваемую оптику и манипуляции с ячейками.
По словам Чжао, диэлектрический эластомерный привод, который использовал Чжао, называется «диэлектрической эластомерной структурой с минимальной энергией», которая состоит из тонкого эластичного каркаса и предварительно растянутых диэлектрических эластомерных пленок. После приклеивания предварительно растянутой пленки к тонкой эластичной рамке восстанавливающая сила диэлектрической эластомерной пленки изгибает эластичный каркас, балансируя при минимальном энергетическом состоянии.
При приложении слаботочного электричества в киловольтах к диэлектрическому эластомеру рама расплющивается и угол изгиба уменьшается. Чтобы ограничить изгиб рамы только одной осью, две рамы жесткости крепятся к основной раме в виде жестких неизгибаемых кромок, а затем все это образует поворотное соединение.
По словам Чжао, динамическое изменение напряжения может динамически изменять угол соединения, что делает диэлектрические эластомерные структуры с минимальной энергией полезной структурой для изготовления мягких устройств.
Обнаружен новый феномен колебаний
В эксперименте Чжао исследователи стимулировали движение вращающегося сустава с помощью переменного прямоугольного напряжения i.е. напряжение с фиксированным значением, которое периодически включается и выключается, что отличается от практики предыдущих ученых, которые «обычно используют статическое или стабильное напряжение для изучения движения суставов."
«Преимущество переменных напряжений в том, что они переключаются между разными значениями, что помогает нам непрерывно управлять углами изгиба сустава."Чжао сказал.
Новая практика также стимулировала новые результаты.
После экспериментов с различными параметрами, такими как значения напряжения, частоты и масса соединения в системе соединения из диэлектрического эластомера, Чжао и его коллеги наблюдали новое явление резонанса: когда инерция вращения соединения достаточно велика или приложенное напряжение достаточно велико, сустав может изгибаться вверх и вниз, как машущее крыло, достигая угла изгиба более 90 градусов или того, что исследователи называют отрицательными углами.
«Когда шарнир понимает отрицательные углы, его движение станет более сложным в соответствии с особым правилом резонанса, отличным от нормального, которое мы называем нелинейными колебаниями», — сказал он.
При нормальном резонансе сустав изгибается в соответствии с частотой напряжения и достигает наибольшего угла изгиба, когда собственная частота сустава равна частоте напряжения, объяснил Чжао. Находясь в состоянии нелинейных колебаний, соединение достигает наибольшего угла изгиба, когда частота обеспечивающего напряжения близка, но меньше удвоенной собственной частоты соединения.
Между тем, совместная амплитуда (диапазон изгиба) также больше, чем в нормальном резонансе, что указывает на большую подъемную силу в специальном резонансе.
Это новое явление и принцип, как отметил Чжао, могут открыть двери для многих новых мягких устройств, таких как мягкие и легкие роботы для условий с ограниченным пространством и требованиями к весу или взмахи крыльями мягких роботизированных птиц, которые могут создавать большую подъемную силу.
Кроме того, поскольку диэлектрические эластомеры обладают высокой плотностью энергии (в семьдесят раз выше, чем у обычных электромагнитных приводов) и высокой эффективностью преобразования энергии (от 60 до 90 процентов), они могут быть хорошими кандидатами для создания энергоэффективных устройств, сказал Чжао.
Следующим шагом исследователей является улучшение функции вращающегося соединения из диэлектрического эластомера и усовершенствование технологии изготовления для создания настоящего машущего крыла.