Американские инженеры разработали мягкий актуатор, способный изгибаться заданным образом под действием электрического тока. В основе движения актуатора лежит создание с помощью внутренней системы электродов электрического поля, распределение которого определяет форму изгиба поверхности, рассказывают авторы статьи в Nature Communications. В большинстве устройств с двигающимися элементами конструкции применяются электромоторы и механические передачи. Однако немало инженеров работает над созданием актуаторов других типов, в частности мягких. Такой тип актуаторов значительно облегчает их применение в медицинских устройствах, что вызвало значительный интерес к ним в последние годы. Но большинство подобных разработок имеют четко заданную схему движения, к примеру, изгиб по заданной траектории. Это ограничивает их применение и зачастую требует использования сразу нескольких актуаторов.

Инженеры Эхсан Хаджиесмаили (Ehsan Hajiesmaili) и Дэвид Кларк (David Clarke) из Гарвардского университета разработали мягкий актуатор с управляемой интенсивностью изгиба. В основном актуатор состоит из диэлектрического эластомера. Принцип работы такого актуатора заключается в создании неравномерно распределенного электрического поля, заставляющего диэлектрик деформироваться. Для создания поля инженеры разработали многослойную конструкцию, состоящую из эластомера и однослойных углеродных нанотрубок. Авторы выбрали для большинства прототипов конструкцию, состоящую из чередующихся концентрических круговых электродов, состоящих из двух материалов. Электроды располагаются послойно, причем с каждым новым слоем диаметр электрода уменьшается.

Схемы расположения электродов и распределения деформации по актуатору. Ehsan Hajiesmaili, David Clarke / Nature Communications, 2019

Если к электродам приложено напряжение, на месте их пересечения образуется электрическое поле. Благодаря ему актуатор подвергается двум видам деформации: радиально направленного расширения слоев и вертикально направленного сжатия и уменьшения расстояния между электродами. Такой характер деформации приводит к ее неравномерному распределению и при использовании круговых концентрических электродов актуатор сильнее всего растягивается в центре и слабее у краев.

Ehsan Hajiesmaili, David Clarke / Nature Communications, 2019

Кроме круговых электродов авторы работы также экспериментировали с другими конструкциями. К примеру, они создали схему круглого актуатора с электродами, имеющими форму четверти круга. В результате при подаче напряжения к электродам актуатор сгибается пополам. Также инженеры создали прямоугольный актуатор с продольными электродами, благодаря которым при возникновении электрического поля актуатор принимает форму сегмента тора. Наконец, в одном из прототипов авторы объединили сразу два набора электродов разной формы, что позволило придавать ему форму двух типов:

Актуатор, способный принимать разную форму Ehsan Hajiesmaili, David Clarke / Nature Communications, 2019

Ранее исследователи создавали множество других мягких актуаторов, управляемых электрическим полем. К примеру, в прошлом году группа американских и корейских ученых разработала метод печати актуаторов произвольной формы из гидрогеля. Разработка имела несколько серьезных отличий, к примеру, авторы использовали монолитную конструкцию из одного материала, однако для приведения актуатора в движение его необходимо помещать в электролит. В качестве примера исследователи создали несколько устройств, в том числе фигурку человека, способную ходить в воде.

Автор: Григорий Копиев