Китайские инженеры понизили напряжение питания мягких роботов до двухсот вольт

Инженеры из Китая создали диэлектрические эластомерные актуаторы для мягких роботов, которым для работы требуется всего 200 вольт вместо типичных для таких устройств нескольких киловольт напряжения. Используя разработку, они собрали несколько автономных мягких роботов: роборыб двух типов, ползающего робота и небольшой носимый жидкостный перистальтический насос, который можно использовать для охлаждения кожи рук. Статья с описанием материала и роботов опубликована в журнале Science Robotics.

Диэлектрические эластомерные актуаторы нередко называют искусственными мышцами. Они состоят из тонкой пленки эластомера между двумя мягкими электродами. При подаче на них напряжения электростатическая сила сжимает пленку по толщине, в результате чего она расширяется ее по площади, создавая механическое усилие. Такие актуаторы отличаются большими деформациями, высокой плотностью энергии, быстрым откликом и отлично подходят для создания мягких роботов.

Однако при всех плюсах эти актуаторы имеют один существенный недостаток — для их работы обычно требуется напряжение порядка нескольких киловольт, так как материалы для них обладают низкой диэлектрической проницаемостью. Высокое напряжение создает угрозу безопасности и усложняет систему электропитания, что ограничивает применение технологии в автономных роботах и носимых устройствах.

Существуют четыре основных пути снижения рабочего напряжения: оптимизация механических свойств эластомера, повышение его диэлектрической проницаемости, создание на его основе многослойных конструкций и использование ультратонких пленок. До сих пор каждая из этих стратегий применялась по отдельности и без особого успеха. Однако инженеры под руководством Ши Е (Ye Shi) и Ли Тефэна (Tiefeng Li) из Чжэцзянского университета смогли применить их все одновременно. За основу они взяли эластомер PHDE, структура которого состоит из двух молекулярных полимерных цепочек разной длины, и добавили в него органическую соль LiTFSI (бис(трифторметансульфонил)имид лития). Ионы этой соли связываются с полимерными цепями через литиевые и водородные связи, что повышает диэлектрическую проницаемость, не разрушая структуру материала.

Полученный эластомер HK-PHDE (high-dielectric constant processable high-performance dielectric elastomer) показал диэлектрическую проницаемость около 13 (при частоте один килогерц) и модуль Юнга 0,56 мегапаскаля. В испытаниях пленки этого эластомера толщиной 20 микрометров без предварительного дополнительного растяжения достигли деформации по площади 110 процентов при электрическом поле 50 вольт на микрометр. Для сравнения, исходный PHDE без добавки LiTFSI преждевременно разрушался из-за электромеханической неустойчивости, а его более жесткий вариант демонстрировал существенно меньшие деформации.

Для масштабирования механической отдачи при сохранении низкого напряжения инженеры собрали из пленок HK-PHDE многослойные актуаторы методом сухого ламинирования. Десятислойные актуаторы (около 0,044 грамма) при электрическом поле 20 вольт на микрометр при подъеме 300-граммового груза — в 6800 раз тяжелее себя — достигли плотности энергии 38,4 джоуля на килограмм. На частоте 10 герц расчетная плотность мощности составила 452 ватта на килограмм, что превосходит показатели натуральных мышц. При уменьшении толщины однослойной пленки до 10 микрометров рабочее напряжение снизилось до 200 вольт.

На основе этих актуаторов инженеры собрали несколько мягких устройств, для каждого спроектировав компактную гибкую электронную плату. Носимый на запястье перистальтический насос на цилиндрическом актуаторе оказался способен перекачивать воду со скоростью около 1,9 миллилитра в минуту при 200 вольтах, стабильно работая на протяжении более 100 тысяч циклов. Робот-манта с плоским 20-слойным актуатором плавал со скоростью 0,2 длины тела в секунду при 200 вольтах, а робот в форме луны-рыбы длиной 8,5 сантиметра на двух актуаторах ― со скоростью 0,13 длины тела в секунду. При этом независимое управление актуаторами позволяет роборыбе поворачивать. Ползающий робот, изготовленный ламинированием 30-слойного HK-PHDE актуатора прямо поверх электронной платы, ползал со скоростью 0,33 сантиметра в секунду при напряжении 200 вольт. Исследователям удалось запитать его от стандартной бытовой электросети 220 вольт вместо батареи.

Авторы планируют снижать рабочее напряжение и дальше, для чего в будущем потребуются растяжимые электроды с более низкой жесткостью: нынешние электроды из углеродных нанотрубок ограничивают работу пленок тоньше пяти микрометров. Кроме того, разработчики намерены интегрировать в роботов сенсорные и коммуникационные модули, чтобы те могли самостоятельного ориентироваться в среде и принимать решения.

Актуаторы на основе диэлектрических эластомеров использовали инженеры из Массачусетского технологического института для создания миниатюрного четырехкрылого дрона-орнитоптера. При массе 750 миллиграмм он способен продержаться в воздухе более 1000 секунд и обладает достаточной маневренностью, чтобы точно следовать по сложной траектории со скоростью 30 сантиметров в секунду.