Прямое и дистанционное индуцированное воздействие в искусственных мышцах на основе электропряденых волоконных сетей.

Jan 20, 2024

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 13084 (2022) Цитировать эту статью

1063 доступа

Подробности о метриках

В настоящей работе сообщается о новой конфигурации мягких искусственных мышц на основе сети покрытых металлом нейлоновых волокон размером 6/6 микрометров, прикрепленных к тонкой полидиметилсилоксановой (ПДМС) пленке. Процесс подготовки прост и предполагает прикрепление металлизированных волоконных сетей к листовой подложке из ПДМС при нагревании и сжатии. Полученный композит является универсальным и может быть разрезан в различных формах в зависимости от желаемого применения. Когда электрический ток проходит через металлическую сетку, выделяется тепло, что приводит к локальному расширению и последующей контролируемой деформации. Из-за этого искусственная мышца демонстрирует быстрое и обширное движение (максимальное смещение 0,8 см) при подаче относительно низкого напряжения (2,2 В), что является следствием контраста между коэффициентами теплового расширения субстрата ПДМС и полотна. как электрод. Было показано, что электрический ток, вызывающий этот эффект, может возникать как от прямых электрических контактов, так и от непривязанных конфигураций, т.е. индуцированных радиочастотой. Обычно для приводов с термической активацией нагрев осуществляется с использованием металлических пленок или проводящих материалов на основе углерода, тогда как здесь быстрый процесс нагрева/охлаждения достигается с помощью нагревателей на основе микроволокна. Этот новый подход к автономным устройствам представляет собой интересный путь, открывающий широкий спектр приложений, в которых необходимы автономное срабатывание и дистанционная передача энергии.

Область исследований, посвященная искусственным мышцам, постоянно развивалась в течение последнего десятилетия. Растущий интерес подогревается развитием таких областей применения, как робототехника (в настоящее время ведется интенсивный поиск мягких роботов, похожих на животных) или медицинских/медицинских устройств1,2,3,4,5,6,7. Новые и улучшенные типы таких компонентов разрабатываются и описаны в литературе, причем используемые процессы приведения в действие основаны на широком спектре физических и химических явлений. Начиная от электрохимически управляемых проводящих полимерных мышц и заканчивая пневматическими или термически активируемыми, легко отметить постоянное улучшение возможностей8,9,10,11,12,13,14. Однако предстоит еще пройти долгий путь до достижения аналогичной производительности с точки зрения функциональности и эффективности либо биологическим мышцам, с одной стороны, либо механическим, электромеханическим или пневматическим двигателям, с другой стороны. Постоянно сообщается об улучшениях в этой области как в механизмах срабатывания, так и в типах или комбинациях материалов. Исследуются различные материалы, такие как проводящие или пьезоэлектрические полимеры, эластомеры, сплавы с памятью формы, каждый из которых имеет свой особый режим срабатывания, свои преимущества и недостатки15,16,17,18,19,20,21,22.

Для достижения срабатывания используются электрохимически индуцированные структурные изменения, пьезоэлектричество, тепловые или другие внутренние характеристики. Диэлектрические эластомеры являются одними из предпочтительных материалов для изготовления мягких искусственных мышц из-за таких характеристик, как высокая эластичность, легкий вес и механическая реакция на приложенное электрическое поле. Однако возникают проблемы из-за относительно высокого напряжения, необходимого для срабатывания, и необходимости использования электродов с аналогичной гибкостью для достижения высокой функциональности.

Использование композитов, содержащих микроскопические частицы или структуры, такие как углеродные нанотрубки и графен, стало широко используемым способом достижения улучшенных свойств или новых функциональных возможностей2,23,24,25. Аураге и др. предложили электротермический актуатор на основе композитной пленки ПДМС/углеродные нанотрубки, которая показывает важный угол изгиба (~ 200°) при температуре около 350°C, полученный при приложении относительно высокого напряжения26. Однако актуатору требуется много времени для восстановления исходной формы (~ 150 с). Аналогичным образом, Сан и др. сообщили об изготовлении электротермического привода на основе углеродных нанотрубок и ПДМС, который может изгибаться на ~ 540° при приложенном напряжении 12 В27. Этому приводу также требуется много времени для достижения установившегося угла изгиба (130 с). Яо и др. разработали биморфный актуатор на основе ПДМС и серебряных нанопроволок (AgNws), который изгибается на 30 мм при низком приложенном напряжении 4,5 В28. Однако актуатору требуется сравнительно много времени для достижения максимальной степени смещения (~ 40 с) и восстановления исходного положения (~ 60 с). Ху и др. предложил еще один биморфный актуатор на основе графеновой губки и ПДМС, который достигает максимального изгиба 12 мм за относительно долгое время (60 с) при относительно низком приложенном напряжении 10 В29.