Искусственные мускулы

      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.

      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. Существующие конструкции обладают хорошими характеристиками в области средних и высоких частот. И хотя работа устройства в низкочастотном диапазоне пока не оптимизирована, непреодолимых препятствий для этого не существует.

      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 электрический 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.

      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. DARPA и армия США финансируют 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. Аналогичные устройства нетрудно вмонтировать в лямки рюкзака или в подвеску автомобиля. Возможно, новая концепция найдет применение в волновых и ветровых электрогенераторах.

Недавно исследователи SRI испытали «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 цикле Стерлинга. Со временем конструкторы планируют создать эффективные генераторы размером не больше сантиметра. 
 
 
 
 

                  Пружинные валики, змеи и руки роботов

      Валиковый привод представляет собой сжатую спиральную пружину, обернутую двумя слоями пленки из диэлектрического эластомера (ламинированного с обеих сторон эластичными электродами). Пружинные валики могут применяться во всех случаях, когда нужно обеспечить простое линейное перемещение, например, в механизмах роботов, протезов, клапанов и насосов. Сейчас такие двигатели вырабатывают усилие до 30 Н (около 3 кг), линейное смещение около 2 см и частоту срабатывания более 50 Гц. Для повышения эффективности можно соединить несколько элементарных приводов последовательно или параллельно.

      Небольшая доработка - и валик начинает изгибаться по команде. Электроды специальной  формы наносятся на пленку из диэлектрического эластомера таким образом, что валик фактически представляет собой два независимо возбуждаемых привода. Например, если подать напряжение только на левую сторону валика, его правая часть остается неподвижной, и валик изогнется вправо. При подаче напряжения на обе половины цилиндр удлиняется. Усложнив конфигурацию независимых электродов, можно добиться более сложного движения. Изгибающиеся ролики найдут применение в роботах-змеях, манипуляторах, управляемых катетерах и эндоскопах, шагающих машинах и антенных механизмах.

                        Послушные мембраны

      Для изготовления диафрагменного привода  достаточно натянуть пленку из диэлектрического эластомера на жесткую рамку. Чтобы  при подаче напряжения диафрагма  двигалась в определенном направлении (вверх или вниз), а не просто сморщивалась, ее оттягивают с помощью пружины  или обеспечивая небольшой избыток  давления газа или жидкости. Диафрагменные приводы полезны в тех случаях, когда нужно добиться изменения объема, например в насосах и громкоговорителях. Аналогичные устройства на пьезоэлектриках используются довольно давно, однако применение диэлектрических эластомеров позволяет получить большие смещения. В некоторых приборах диафрагма из плоской превращается в полусферическую (см. рис. внизу). 

                        Управляемые поверхности

      Для изготовления «активных»  камуфляжных материалов необходимо сделать их текстуру управляемой. Регулируя рельеф поверхности крыла самолета или корпуса корабля, удается добиться лучшего обтекания воздухом и водой. Также с помощью изменяемой текстуры можно создать осязаемые рельефы, включая алфавит Брайля для слепых.

      В большинстве приводов диэлектрические эластомеры деформируются вдоль плоскости пленки, а изменение их толщины едва заметно. Но, покрывая тонкие пленочные слои с узорными эластичными электродами более толстыми и мягкими слоями полимерного геля, можно достичь значительного изменения толщины. Гель вытекает из области расширения пленки за счет ее утончения и создает выступы там, где она сжимается. Изменение толщины гелевого слоя легко увидеть и почувствовать наощупь. 
 

                        «Каблучные» генераторы

      Обычно  на диэлектрический эластомер подается электрическое напряжение, деформирующее его. Вместе с формой полимерной пленки изменяется и эффективная емкость устройства, и это позволяет с помощью соответствующей электроники вырабатывать электроэнергию. Генераторы из таких материалов получаются весьма эффективными и необычайно легкими. Применение диэлектрических эластомеров целесообразно в тех случаях, когда электроэнергия вырабатывается за счет больших перемещений, например, за счет ветра, морских волн или движений человека во время

ходьбы  или бега. «Каблучный» генератор  не утяжеляет обмундирование и эффективно преобразует давление пятки на каблук в деформацию сборки из многослойных диафрагм.

Инженеры  из SRI полагают, что мощность подобных генераторов при нормальной ходьбе может достигать 1 Вт. Уже разрабатывается источник питания такого типа для солдатского полевого обмундирования. Аналогичные устройства найдут и гражданское применение, например, в качестве подзарядки для сотовых телефонов и портативных компьютеров. 
 
 
 

                              5. Память формы

      Первые  исследования в области искусственных  мышц были напрямую связаны с эффектом памяти формы, который присущ некоторым  сплавам. Он был открыт в 1932 году шведским физиком Арни Оландером (Arne Olander) на примере сплава золота с кадмием, но почти 30 лет не привлекал особого  внимания. В 1961 году память формы совершенно случайно обнаружили у никель-титанового сплава, изделие из которого можно  произвольно деформировать, но при  нагреве оно восстанавливает  свою первоначальную форму. Не прошло и двух лет, как в США появился коммерческий продукт — сплав, нитинол, получивший название по своему составу  и месту разработки (NITINOL — NiTi Naval Ordnance Laboratories).

      Память  формы обеспечивается за счет того, что кристаллическая решетка  нитинола может находиться в двух устойчивых состояниях (фазах) — мартенситном и аустенитном. При температуре  выше некоторой критической весь сплав находится в аустенитной  фазе с кубической кристаллической  решеткой. При охлаждении сплав переходит  в мартенситную фазу, в которой  благодаря изменившимся геометрическим пропорциям ячеек кристаллической  решетки становится пластичным. Если приложить небольшое механическое усилие, изделию из нитинола в мартенситном состоянии можно придать почти  любую конфигурацию — она будет  сохраняться до тех пор, пока предмет  не нагреют до критической температуры. В этот момент мартенситная фаза становится энергетически невыгодной, и металл переходит в аустенитную фазу, восстанавливая прежнюю форму.

      Так это выглядит в простейшем случае. На практике, конечно, на деформации есть ряд ограничений. Главное — они  не должны превышать 7—8%, иначе форма  уже не сможет быть полностью восстановлена. Последующие разработки позволили  создать различные варианты нитиноловых  сплавов. Например, есть такие, что помнят сразу две формы — одна соответствует  высоким температурам, другая —  низким. А при промежуточных температурах материал можно произвольно деформировать, но он вспомнит одну из двух своих форм при нагреве или охлаждении.

      На  сегодняшний день известно уже более  десятка сплавов с памятью  формы на базе разных элементов. Однако семейство нитиноловых сплавов  остается самым распространенным. Эффект памяти формы в сплавах на основе NiTi четко выражен, причем диапазон температур можно с хорошей точностью  регулировать от нескольких градусов до десятков, вводя в сплав различные примеси. Кроме того, нитинол недорог, удобен в обработке, устойчив к коррозии и обладает неплохими физико-механическими характеристиками: например, его предел прочности всего в 2—4 раза ниже, чем у стали.

      Пожалуй, основным недостатком подобных сплавов  долгое время был небольшой запас  цикличности. Количество управляемых  деформаций не превышало пары тысяч  итераций, после чего сплав терял  свои свойства.

      Разрешить эту проблему смогла компания NanoMuscle. Зимой 2003 года на международной ярмарке  игрушек в Нью-Йорке ею была представлена необычная кукла — Baby Bright Eyes. Игрушка  очень реалистично копировала мимику глаз маленького ребенка, чего практически  невозможно достичь при помощи традиционно  применяемых в игрушечной индустрии  микроэлектродвигателей — они слишком  инерционны. При этом стоимость куклы (при серийном производстве) оценивалась  всего в 50 долларов, что выглядело  совсем уж фантастично.

      При создании прототипа куклы инженерам  компании NanoMuscle удалось преодолеть ограничения цикличности, используя  наночастицы из титана и никеля, а также разработав программное  обеспечение, управляющее сплавом  в более щадящем режиме, поэтому  жизненный цикл таких наномускулов превышает пять миллионов итераций. Наночастицы соединялись в тонкие волокна диаметром около 50 микрон, а из них сплетался провод длиной несколько сантиметров, который  мог менять длину на 12—13% (еще  один рекорд).

      Вызывает  уважение и сила устройства, получившего  название NanoMuscle Actuator. При равной массе  наномускул развивает мощность в  тысячу раз больше, чем человеческие мышцы, и в 4 000 раз больше, чем электродвигатель, и при этом скорость его срабатывания составляет всего 0,1 секунды. Но что  особенно важно, благодаря составной  конструкции NanoMuscle Actuator не переходит  скачком из одного состояния в  другое, а может двигаться плавно с заданной скоростью.