Из жидких кристаллов с азобензолом сделали переключатель с настраиваемым порогом срабатывания

Нидерландские и канадские материаловеды разработали светоуправляемый переключатель с настраиваемым порогом срабатывания. Информация о пороге записывается в самом материале, а устройство можно встраивать в мягкую электронику и использовать в робототехнике. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Первые механические термореле появились почти двести лет назад. Они представляли собой пластинку из двух металлов с разными коэффициентами теплового расширения: при перегреве она изгибалась и механически размыкала электрический контакт. 

Нидерландские и канадские ученые под руководством Дань Цин Лю (Danqing Liu) из Технического университета Эйндховена усложнили механизм замыкания и размыкания и создали переключатель с настраиваемым порогом срабатывания. За основу взяли пленку жидкокристаллического акрилатного полимера с добавками азобензола. На нее сверху нанесли два металлических контакта так, чтобы между ними был зазор. Размер зазора зависит от температуры: при нагревании структура жидкокристаллического полимера также становится менее упорядоченной и зазор уменьшается. Лю и ее коллеги добавили в схему второй нагревающий электрод: подавая на него все большую мощность, они делали зазор все меньше и меньше, вплоть до замыкания основной цепи.

Величиной зазора можно управлять и с помощью света. В исходном состоянии большая часть азобензольных фрагментов находится в транс-форме. Под действием ультрафиолетового света часть из них переходит в цис-форму, и жидкокристаллическая структура тоже становится менее упорядоченной. Полимерная пленка сокращается, зазор между контактами уменьшается. Облучение синим светом переводит азобензол обратно в транс-форму, восстанавливает упорядоченность жидкокристаллической структуры и увеличивает зазор. При этом переход между  цис- и транс-формой может быть частичным. Эксперимент показал, что доля цис-изомера, а значит и величина зазора, зависит от времени и интенсивности облучения ультрафиолетом. Чередуя импульсы ультрафиолетового и синего света, ученые смогли менять долю цис-изомера и зазор между контактами. В результате менялся порог срабатывания — минимальная мощность на нагревающем электроде, необходимая для переключения устройства. Авторы особенно подчеркнули, что информация о пороге хранится не в электронной памяти, а в самом материале (хотя и не вечно, примерно за десять часов в полной темноте все стирается). 

Чтобы продемонстрировать возможности переключателя, Лю и ее коллеги сначала использовали его для простой задачи бинарной классификации: устройство постепенно «обучали» относить входные сигналы к одному из двух классов, изменяя порог срабатывания с помощью импульсов ультрафиолетового и синего света. Затем ученые объединили пять переключателей в систему, управляющую пальцами роботизированной руки. Для каждого пальца настроили свой порог срабатывания, который определял, при какой мощности соответствующий палец должен сгибаться. Это позволило сгибать пальцы по одному и в комбинациях, воспроизводя различные жесты.

В отличие от обычного термореле, где порог срабатывания задается конструкцией и неизменен, в новом устройстве его можно многократно менять с помощью света, а затем использовать без дополнительной настройки, пока записанная в материале информация не исчезнет. Кроме того, переключатель легко встроить в мягкую электронику, что открывает перспективы для использования в робототехнике.

Ранее мы рассказывали о механическом метаматериале с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик в пределах десяти. Он представляет собой массив из деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии.