Искусственные мускулы

                  1. Что такое искусственные мускулы?

      Искусственными  мускулами принято называть материалы, способные преобразовывать различные  виды энергии – электрическую, химическую, термическую и другие в механическую энергию и совершать полезную работу. Помимо этого, такие материалы должны быть прочны и способны развивать значительное усилие.

      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. Материал с  похожими свойствами был бы незаменим  в устройствах, для которых трудно изготовить миниатюрные электромоторы. Надежды на создание искусственных мышц связаны с электроактивными полимерами (ЭАП). Ученые давно стремились разработать материалы, способные расширяться и сжиматься под действием электрического поля. Они могут использоваться в новых механических приводах, которые со временем вытеснят обычные электромоторы. Электроактивные полимерные материалы нового поколения весьма чувствительны к электрическом возбуждению и подходят для использования в двигателях, сенсорах и источниках электропитания. Изделия из «искусственных мышц» начинают появляться на рынке.

      Несколько лет назад Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen), старший научный сотрудник  Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory – JPL) в Пасадине, штат Калифорния, бросил вызов сообществу разработчиков электроактивных полимеров и учредил денежную премию для исследовательской группы, которая сможет изготовить из ЭАП искусственную руку, способную победить человека в матче по арм-реслингу. Наибольшие успехи достигнуты в некоммерческой лаборатории SRI International в Менло-Парк, штат Калифорния. Руководство SRI надеется в течение ближайших месяцев создать дочернюю фирму Artificial Muscle Incorporated для продвижения на рынок запатентованных ЭАП-технологий. Компания уже заключила несколько научно производственных контрактов с правительством США и крупнейшими производителями игрушек, автомобилей, электроники, медицинской аппаратуры и обуви, заинтересованными в замене дорогих микроэлектродвигателей на дешевые и легкие искусственные мышцы.

      Создать искусственные мускулы пытаются давно, и для решения этой задачи просматривались несколько путей. Можно, например, использовать пьезоэффект: изменение размеров кристалла или  керамики при наложении электрического напряжения. Можно "играть" на способности  слоистых веществ расширяться в  направлении, перпендикулярном плоскости  слоев, при внедрении между слоями химикатов. Но эти пути либо сложны, либо малоэффективны. 

                        2. Подвижные материалы

      С середины 90-х гг. Бар-Коэн неофициально координирует разношерстное международное  сообщество разработчиков ЭАП. Добившись  финансирования NASA, он занялся поиском тех, кто достиг успехов на этом поприще. Вскоре Бар-Коэн организовал первую научную конференцию по проблеме ЭАП, учредил информационный бюллетень, открыл веб-сайт и издал две книги по вопросам зарождающейся технологии. До появления ЭАП у микроэлектродвигателей была всего одна альтернатива – использование пьезокерамики. Если подать электрическое напряжение на пьезокристалл, то он деформируется; если его деформировать, он наэлектризуется. Вместе с коллегами из JPL и Cybersonics Бар-Коэн занимается изготовлением пьезокерамических дисков цирконат-титаната свинца, которые под действием электрического напряжения сжимаются или расширяются на доли процента. Переменное напряжение ультразвуковой частоты заставляет набор таких дисков раскачивать массивный ударник вибродрели, без труда вгрызающейся в твердые каменные блоки. Изрешеченные гранитные плиты –впечатляющая демонстрация работы пьезокерамического привода. Но во многих случаях инженерам требуются электроактивные материалы, линейные размеры которых могут изменяться на десятки и даже сотни процентов. 
 
 
 
 

                        2.1 Реагирующие пластики

      Полимеры, изменяющие форму под действием  электрического поля, можно разделить  на две группы: ионные и электронные. И у тех и у других свои преимущества и недостатки. Ионные электроактивные  полимеры включают в себя ионные полимерные гели, иономерные полимер-металлические  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. Полимеры для искусствен-

ных мускулов, разрабатываемые в SRI, относятся к электронным ЭАП. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                        2.2 Электризуемая резина

      SRI International начала работу над созданием искусственных мышц в 1992 г. Изучив материалы, близкие по характеристикам к мышечной ткани, исследователи остановились на электрострик-ционньгх полимерах. Углеводородные молекулы образуют в них полукристаллические структуры, обладающие пьезоэлектрическими свойствами.

Все изолирующие пластики, такие как  полиуретан, 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 (иногда их называют полимерами, активируемыми электрическим полем).

Выбрав  ряд перспективных материалов, исследовательская группа занялась разработкой конкретных устройств. Серьезную финансовую поддержку оказали Управление перспективных исследований и разработок министерства обороны США (DARPA) и Управление военно-морских исследований, заинтересованные в применении новой технологии в военных целях, например, для создания разведывательных роботов и легких электрогенераторов.

      Для ЭАП с большим коэффициентом деформации необходимо было создать растяжимые электроды. Конструкторы решили внедрить частицы углерода в матрицу из эластомера, которая легко растягивается вместе с пластиком и обеспечивает распределение электрического поля по всей рабочей поверхности.

      В лаборатории компании продемонстрировали рамку 15х15 см, туго обтянутую пластиковой оберткой для пищевых продуктов, рулон которой можно купить повсюду. Стоит нажать кнопку на источнике питания, и электроды, расположенные по обе стороны пленки, увеличиваются в диаметре с 2 до 4 см. После выключения питания диски мгновенно возвращаются в прежнее состояние. Устройство представляет собой конденсатор - две заряженные параллельные пластины с прокладкой из диэлектрика. При подаче напряжения положительные и отрицательные заряды собираются на противоположных электродах, притягивают их друг к другу и сжимают полимерный изолятор, площадь которого увеличивается.

      Несмотря  на то что был разработан целый  ряд перспективных материалов, создание полезных устройств на их основе потребовало значительных усилий. Однако два достижения 1999 г. вызвали большой интерес государственных и частных заказчиков.

Во-первых, было замечено, что предварительное  растяжение полимеров радикально улучшает их характеристики и способствует увеличению коэффициента деформации и электрической прочности на пробой почти в 100 раз. Специалисты SRI предполагают, что молекулярные цепочки ориентируются вдоль плоскости растяжения и делают ее более прочной. Для достижения эффекта предварительного напряжения в разработанных инженерами SRI приводах встроена специальная внешняя обтяжка.

      Во-вторых, когда в поисках наилучшего пластика были проанализированы почти все известные эластичные материалы, ученые наткнулись на акриловый эластомер, который способен претерпевать гигантские деформации (до 380%) с выделением большого количества энергии. Сделанные открытия позволили начать работу над созданием реальных устройств. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                              3. Устройство

      Искусственные мускулы устроены сравнительно просто. Многие диэлектрические эластомеры (класс изолирующих электроактивных пластических материалов), такие как силиконовые и акриловые пластики, под действием высоковольтного электрического поля сжимаются вдоль силовых линий и расширяются перпендикулярно им. Представьте себе конденсатор - две параллельные проводящие пластины, между которыми проложен изолятор. При подаче напряжения положительные и отрицательные заряды скапливаются на противоположных пластинах. Они притягиваются друг к другу и сжимают полимерный изолятор, который при этом расширяется. Тонкая пленка диэлектрического эластомера (обычно толщиной 30-60 мкм) ламинируется с обеих сторон проводящими углеродными частицами, взвешенными в мягкой полимерной матрице. Углеродный слой, соединенный проводниками с источником питания, представляет собой эластичный электрод, который может расширяться вместе с пластиком. Из таких слоистых пластиковых пленок изготавливается целый ряд новых приводов, сенсоров и электрогенераторов.

 Диэлектрические эластомеры, размер которых  может увеличиваться на 380%, - наиболее эффективный, но не единственный тип электроактивных материалов. График (рис. 1) позволяет сравнить различные материалы и устройства, активируемые электрическим током, электростатическим и электромагнитным полями. Коэффициент деформации характеризует удельное растяжение на единицу длины материала. В качестве силовой характеристики выбрано отношение достигаемого давления к плотности материала. Наибольшие деформации и усилия свойственны диэлектрическим эластомерам, которые по этим показателям схожи с мышцами животных.

рис. 1

                              4. Реализация

      Полезный  эффект может быть получен при использовании многих акриловых и силиконовых полимеров и даже, в некоторой степени, натуральной резины. Для производства искусственных мышц, работающих в экстремальных условиях открытого космоса, подойдут силиконовые пластики, функционирующие в вакууме даже при —100°С. Для достижения большой выходной мощности можно увеличить объем полимера или объединить несколько элементарных приводов последовательно или параллельно.

      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.

      Необходимость использования высокого напряжения не должна вызывать беспокойство: в конце концов, люминесцентные лампы и электронно-лучевые трубки - тоже высоковольтные устройства, но их никто не опасается. Однако технические трудности возникают при изготовлении переносных приборов, т.к. для обычных низковольтных батарей требуются преобразователи напряжения.

      Лишь  недавно ученым из Пенсильванского университета удалось понизить напряжение активации некоторых композитов из электрострикционных полимеров и других материалов.

Потребуется дополнительное время на исследование надежности приводов на основе диэлектрических  эластомеров, разработанных в SRI. Одно из устройств, характеризующихся удельной деформацией в 5-10%, уже было испытано в 10 млн. рабочих циклов. Другой прибор успешно увеличивал и уменьшал свою площадь на 50% 1 млн. раз подряд.

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

                        4.1 Производство изделий

      Завершив  разработку основных механизмов, группа SRI приступила к внедрению их в целом ряде оригинальных направлений: