Новые искусственные мышцы могут стать Святым Граалем мягкой робототехники

Новые искусственные мышцы могут стать Святым Граалем мягкой робототехники

Существующие на сегодняшний день мягкие роботы обладают разносторонними способностями, но работают они довольно медленно из-за довольно громоздких гидравлических или пневматических приводов, для которых характерна низкая скорость реакции.

Искусственные мышцы, основанные на использовании новых эластомеров, помогут мягким роботам будущего работать быстрее по сравнению с нынешними, обеспечат им более широкий диапазон движений и позволят работать от источников питания с низким электрическим напряжением.

Диэлектрические эластомеры – это мягкие материалы с хорошими электроизоляционными свойствами. Они могут стать альтернативой пневматическим приводам. Однако, на данный момент они требуют использования сложного и низкоэффективного электрооборудования для обеспечения высокого напряжения.

Кроме того, для сохранения формы им нужны жесткие компоненты. Поскольку суть мягкой робототехники состоит в использовании мягких и деформируемых материалов, а также эластичных механических элементов, которые могут активно взаимодействовать с окружающей средой, подвергаясь при этом деформации, упомянутые ограничения существенно снижают применимость существующих диэлектрических эластомеров в мягкой робототехнике.

Исследователи из Школы инженерных и прикладных наук имени Джона Полсона при Гарвардском университете разработали новый диэлектрический эластомер с широким диапазоном движений, не требующий при этом высокого напряжения и не содержащий каких-либо жестких компонентов.

По словам одного из авторов новой разработки, этот новый диэлектрический эластомер может привести к прорыву в развитии мягкой робототехники. «Электрическую энергию легко хранить и доставлять в  нужную точку, однако, на сегодняшний день силовые приводы мягких роботов требуют слишком мощного электрического поля», — поясняет он.

Таким образом, недавнее исследование решает множество проблем, связанных с мягкими силовыми приводами, за счет снижения напряжения и увеличения удельной энергоемкости, а также устранения жестких компонентов.

Гарвардские ученые положили в основу своей работы два ранее разработанных материала: эластомер, созданный в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, который устраняет необходимость в жестких компонентах, а также электрод из углеродных нанотрубок, разработанный в лаборатории Кларка. За счет комбинации свойств обоих материалов новый привод способен значительно превзойти по эффективности существующие приводы из диэлектрического эластомера. Еще одним преимуществом нового материала является отсутствие необходимости предварительного растяжения.

Новый эластомер создается из специальной жидкости, которая быстро твердеет под воздействием ультрафиолетового облучения и превращается в листы толщиной с бумагу. Благодаря липкой поверхности, они хорошо приклеиваются как друг к другу, так и к электродам.

В то время как в существующих диэлектрических эластомерах в качестве электродов используется графитовая смазка, гарвардские ученые использовали вместо нее слой карбоновых нанотрубок. Применение этого альтернативного материала не увеличивает жесткость эластомера и не снижает его удельную энергоемкость. Таким образом, эластомер способен растягиваться и развивать значительное усилие.

Поскольку толщина эластомера влияет на величину  напряжения, необходимого для приведения его в действие, для работы при относительно низком напряжении ученым пришлось использовать тонкие слои эластомера. Однако, они не обладают достаточной прочностью и не способны развить значительное усилие. Чтобы обеспечить баланс между этими двумя требованиями, ученые создали многослойную структуру, в которой слои эластомера чередуются со слоями электродов.

Эта структура обладает большей прочностью, и силовой привод способен развить значительное усилие. Кроме того, каждый электрод снабжает энергией два слоя эластомера, расположенные сверху и снизу.

Таким образом, объединив преимущества новых материалов и методов обработки, ученые смогли преодолеть ряд существенных ограничений, свойственных приводам из диэлектрического эластомера. Помимо возможностей применения в мягких роботах, этот тип привода может быть использован в носимых устройствах, мягких захватах, лапароскопических хирургических инструментах, а также в качестве искусственных мышц в более сложных робототехнических устройствах.