Создан магнитный полимер с рекордной плотностью работы для мягкой робототехники

Исследователи из Ульсанского национального института науки и технологий в Южной Корее разработали двойной сшитый магнитный полимер, который демонстрирует высокую растяжимость в сочетании с рекордной плотностью работы. Этот материал призван преодолеть существенные ограничения, присущие современным искусственным мышцам, используемым в мягкой робототехнике, где часто приходится выбирать между гибкостью и прочностью.

Новый полимер обладает уникальной способностью функционировать как в качестве мягкого, резиноподобного материала, так и в качестве жёсткого, пластикоподобного материала, при этом его жёсткость может изменяться более чем в тысячу раз. Такая функциональность достигается за счёт продуманной молекулярной структуры, в которой сеть материала поддерживается двумя различными типами связей. Материал работает в двух основных температурных режимах. При нагревании выше 37 градусов по Цельсию полимер размягчается, и внешнее магнитное поле может вызывать его деформацию, например растяжение, сгибание или скручивание. После прекращения воздействия поля он возвращается к своей первоначальной форме. При охлаждении ниже 27 градусов Цельсия новая форма фиксируется, а внутри структуры накапливается энергия. Последующее повторное нагревание приводит к контролируемому высвобождению накопленной энергии, в результате чего привод сокращается и выполняет полезную механическую работу.

В ходе испытаний полимер продемонстрировал деформацию срабатывания в 86,4 % и плотность работы в 1150 килоджоулей на кубический метр (кДж/м³), что эквивалентно примерно 33 000 фут-фунтов на кубический фут. Материал способен растягиваться более чем в двенадцать раз от своей первоначальной длины до момента разрыва. Он восстанавливает почти 100 % своей формы и сохраняет более 87 % производительности после 300 циклов работы. Эксперименты подтвердили способность полимера выдерживать вес, в 4000 раз превышающий его собственный. Мощность привода оценивается примерно в 0,54 лошадиной силы на тонну, что делает его сопоставимым с наиболее эффективными современными искусственными мышцами.

Предыдущие технологии искусственных мышц сталкивались с фундаментальной дилеммой: они могли либо сильно растягиваться, либо создавать значительную силу, но редко сочетали в себе обе эти характеристики. Например, диэлектрические эластомеры обеспечивали высокую растяжимость, но требовали высокого напряжения и были ограничены в силе, а гидрогели растягивались до 65 %, но их удельная работа не превышала 11 800 фут-фунтов на кубический фут. Разработанный двойной сшитый магнитный полимер преодолевает этот барьер, сочетая в себе обе ключевые характеристики. В ходе роботизированных испытаний материал в мягком состоянии использовался для магнитного захвата объектов. Последующий нагрев сфокусированным лазером приводил к его сжатию и подъёму груза массой от 2,7 до 4,1 унции, при этом восстановление формы составляло от 39 % до 52 %. Оптимальная формула привода была найдена при использовании около 11 граммов магнитных частиц с небольшим количеством сшивающего агента.

Источник: Interesting Engineering