Инженеры из Технологического института Токио увеличили силу, генерируемую приводом для искусственных мышц, с помощью сегнетоэлектрических материалов, которые обладают спонтанной поляризацией. При том же уровне напряжения устройство создает на электродах силы в 1 200 раз выше, чем у обычных параэлектрических материалов.
В качестве сегнетоэлектрического материала исследователи использовали жидкие кристаллы в особой нематической фазе. Это фаза, в которой длинные оси молекул расположены параллельными линиями, а не слоями. Ученые установили, что материал может течь как жидкость при комнатной температуре, обладая при этом стержнеобразной молекулярной структурой, подобной структуре твердых кристаллов.
Технология 3D-печати сегнетоэлектрического привода. Изображение: Suzushi Nishimura et al., Advanced Physics Research
Благодаря этим характеристикам у таких материалов выше поляризация. В ходе испытаний было обнаружено, что сегнетоэлектрический жидкий кристалл создает силы на электродах, которые в 1200 раз выше, чем у обычных параэлектрических материалов, таких как изоляционные масла.
С помощью сегнетоэлектрических жидких кристаллов и напечатанного на 3D-принтере электрода с двойной спиралью исследователи разработали электростатический привод, который работает при низком напряжении и способен сокращаться и расширяться, как это делают мышцы.
Сокращение привода на 19% под воздействием напряжения в 200 В. Изображение: Tokyo Institute of Technology
Использование ферроэлектрической среды генерировало силы, достаточные для достижения сокращения на 6,3 мм (19% длины) при приложении 200 В. Также было замечено, что устройство немного двигается при 18 В, что указывает на то, что оно может питаться даже от простой батарейки, отмечают исследователи.
Электростатические приводы — это простые и легкие устройства, имитирующие человеческие мышцы. Их использование до сих пор в основном ограничивалось перемещением небольших весов, поскольку для создания значительных сил им требуется высокое напряжение, объясняют ученые. Для создания сил, достаточных для поддержки движения и деятельности человека, традиционным устройствам требуется напряжение, которое может быть опасным для организма.
