Японские ученые из Токийского технологического института разработали электростатические актуаторы из ферроэлектриков, которые могут работать при низком напряжении. Такие актуаторы могут стать основой для искусственных мышц. Исследование опубликовано в журнале Advanced Physics Research.
Электростатические актуаторы — это устройства, которые способны двигаться и передвигать объекты под действием электрического поля. Они состоят из двух противоположно заряженных электродов, которые генерируют силу тогда, когда между ними формируется электрическое поле. Если менять форму электродов и заполнять пространство между ними мягкими материалами, то эти устройства могут стать компонентами искусственных мышц. Однако есть проблема: усилие, вырабатываемое электродами, прямо пропорционально приложенному напряжению. А системы, работающие при высоком напряжении, могут быть опасны для человека.
Чтобы решить эту проблему, японские ученые предложили использовать ферроэлектрические материалы, которые спонтанно поляризуются. Поляризация, то есть распределение зарядов, происходит при помещении материала в электрическое поле. При этом при удалении электрического поля она сохраняется. Поляризация также не связана с приложенным напряжением, поэтому сгенерированная сила зависит только от него. В качестве ферроэлектрика ученые использовали жидкие кристаллы в нематической фазе, в которой молекулы выстроены в параллельные линии, а не в слои. При комнатной температуре материал был текучим, как жидкость, но при этом обладал молекулярной структурой, характерной для твердых кристаллов. Он обладал большим дипольным моментом, который определяет интенсивность поляризации, а текучесть может быть полезна при изготовлении искусственных мышц.
Проведя испытания, исследователи выяснили, что жидкие кристаллы способны генерировать в силу, которая в 1200 раз превосходит показатели параэлектриков. Ученые разработали актуатор из ферроэлектрических кристаллов с электродом в форме двойной спирали. Это устройство могло сжиматься и расширяться, как это делают мышцы, при низких напряжениях. При электрическом поле напряженностью 0,25 МВ/м устройство сократилось на 6,3 мм, что составляет пятую часть его общей длины. Ученые продемонстрировали, что устройство успешно работало при напряжении 20 В.
Результаты исследования доказали, что ферроэлектрические материалы — перспективное решение для реализации электростатических актуаторов, нужных при разработке искусственных мышц. Теперь ученые хотят оптимизировать показатели вязкости и эластичности жидких кристаллов, чтобы улучшить работу устройства.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
