Інженери з Китаю розробили електрофлюїдний актуатор для м'яких роботів, для роботи якого потрібно тільки джерело високої напруги і не потрібні ні насоси, ні система трубопроводів. Він складається з м'якого полімерного матеріалу з герметичною порожниною, заповненою діелектричною рідиною, в яку занурений електрод. Сильне електричне поле навколо електрода, що знаходиться під високою напругою, індукує потоки рідини всередині замкнутого обсягу актуатора, що призводить до його деформації. Інженери продемонстрували можливість створення актуаторів, що діють як у поздовжньому, так і в поперечному напрямку. Наприклад, один з працюючих на поперечний вигин актуаторів під дією напруги 16 кіловольт відхилився на кут понад 35 градусів за 197 мілісекунд. Для демонстрації практичного застосування інженери створили дистанційно керовану модель робоскату, яка розвинула швидкість близько 0.13 довжин тіла в секунду. Стаття опублікована в журналі
Інженери давно працюють над створенням роботів з м'яких матеріалів, які підходять для виконання завдань, що потребують обережного поводження з оточенням і людиною, наприклад, для застосування в області медицини. Крім цього, роботи з м'яких матеріалів можуть володіти великим числом ступенів свободи, що дозволяє їм підлаштовуватися під складний рельєф або форму предмета, з яким вони взаємодіють. Наприклад, гнучке робощупальце, розроблене австралійськими інженерами, легко захоплює і міцно утримує об'єкти складної форми, обвиваючись навколо них.
Ключовою проблемою в цій області залишається спосіб актуації, тобто метод за допомогою якого робот або його окремі частини приводяться в рух. У разі м'яких роботів актуація відбувається за рахунок деформації самих актуаторів, що зазвичай досягається застосуванням пневматики або гідравліки як найбільш простих способів. Однак у цьому випадку в конструкції повинні бути насоси і системи трубопроводів, що нагнітають тиск, для подачі повітря або рідини, що призводить до збільшення ваги та обсягу пристрою.
Китайські інженери під керівництвом Вей Тана (Wei Tang) з Чжецзянського університету в Ханчжоу розробили м'який електрофлюїдний актуатор, в роботі якого застосовується рідина, але який при цьому не вимагає додаткового громіздкого обладнання типу насосів і трубопроводів для передачі тиску. Актуатор виготовляється з гнучкого полімерного матеріалу, наприклад силікону, і містить всередині себе порожнину, заповнену діелектричною рідиною. Всередину цього еластичного «пакету» з рідиною поміщається електрод, наприклад вольфрамовий стрижень. Другим електродом служить навколишня зовні актуатор вода, або нанесений на зовнішній бік проводить склад, що містить вуглець, якщо актуатор знаходиться в повітряному середовищі.
Висока напруга, подана на електрод всередині актуатора, створює навколо нього сильне неоднорідне електричне поле, яке призводить до процесу дисоціації і зростання концентрації вільних іонів в рідині (ефект Вина). Це в свою чергу призводить до сильного градієнта просторового заряду, що зменшується зі збільшенням відстані від електрода, і виникнення потоку рідини в напрямку від зарядженого стрижня. Створений потік рідини призводить до зростання тиску в замкненій «кишені» актуатора і його розтягування.
Ефект залежить від доданої напруги і зникає після вимикання поля. Також на генерований потік рідини і величину розтягнення, а отже, і на ефективність актуації, впливає матеріал, з якого виготовлений електрод, глибина його занурення в порожнину і тип діелектричної рідини. Найкращого результату розробники змогли домогтися з вольфрамовим електродом, зануреним у розчин гідрогелю в тріацетині.
Для того щоб вивчити характеристики отриманого актуатора, інженери підвісили його, закріпивши з протилежного кінця вантаж, і стали подавати високу напругу з різною частотою і формою імпульсів. Як виявилося, попередня навантаженість також впливає на ефективність роботи. Це пов'язано з тим, що розтягнення актуатора призводить до зменшення відстані між позитивним і негативним електродами, підвищуючи напруженість поля. При напруженні 16 кіловольт під навантаженням 300 грамів актуатор розтягується на 24 відсотки, а при вазі вантажу 350 грам цей параметр досягає близько 37 відсотків. Час відгуку тривалого актуатора на додану напругу склав близько 60 мілісекунд у воді і близько 52 мілісекунд у повітрі під навантаженням 300 грамів.
Актуатори можна об'єднувати разом. Наприклад, щоб підвищити силу актуації можна з'єднати кілька актуаторів паралельно, а для того, щоб збільшити сумарну довжину, на яку відбувається зміщення в результаті розтягнення, їх необхідно приєднати один до одного послідовно. Об'єднавши паралельно три актуатори, інженери побудували модель м'яза-антагоніста, яка здатна привести в рух невеликий вантаж вагою 10 грамів, закріплений на кінці штанги, що імітує кінцівку.
За допомогою запропонованої інженерами технології можна створювати актуатори, що діють не тільки в поздовжньому, а й поперечному напрямку. Для цього необхідно, щоб верхня і нижня половини матеріалу, що утворює кишеню для рідини, мали різну жорсткість. У цьому випадку під дією електрофлюїдного струменя насамперед буде деформуватися більш м'який матеріал, що призведе до згинання актуатора і відхилення його в бік більш жорсткого матеріалу.
Згинаючий актуатор, виготовлений з силікону і полідіметилсілоксанової мембрани зміг відхилитися на 35 градусів при напрузі 16 кіловольт на електроді за час близько 197 мілісекунд. Використовуючи два таких актуатори, інженери продемонстрували можливість їх практичного застосування, створивши дистанційно керовану модель робоскату, що розвиває швидкість близько 0.13 довжин тіла в секунду.
Крім переваг, таких як компактність і висока швидкість роботи, автори відзначили також і існуючі недоліки нових електрофлюїдних актуаторів. Наприклад, крім очевидної невідповідність матеріалу вольфрамового електрода концепції м'якості, він може стати причиною проколу і розгерметизації внутрішнього простору з рідиною. У цьому випадку створюваний тиск призведе до викачування рідини з робочої порожнини через прокол. Ця проблема може бути усунена вибором іншого матеріалу для внутрішнього електрода. Крім цього, існує ризик електричного пробою діелектричного матеріалу актуатора при зайвому зближенні стінок мембран, що утворюють кишеню з високовольтним електродом, під час роботи або при зовнішньому впливі. У майбутньому розробники планують розробити метод захисту областей оболонки, розташованих поблизу електрода, а також продовжити пошук рідини, що реагує на інші методи впливу, наприклад магнітне поле або опромінення світлом.
Раніше ми розповідали про американських інженерів, які розробили роботекстиль, формою якого можна керувати. В основі лежить процес випаровування при нагріванні і процес конденсації при охолодженні рідини, що заповнює герметичні порожнини всередині текстилю.