پلیمر فروالكتریك برای كاربرد در رباتیك ابداع شد
انعطاف عضلات مصنوعی برای نخستین بار
دیجیتالر: پلیمر جدیدی که در «دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا» ابداع شده است، می تواند قدرت کشش مکانیکی فوق العاده ای را به عضلات مصنوعی ببخشد.
به گزارش دیجیتالر به نقل از ایسنا و به نقل از سایتک دیلی، گروهی از پژوهشگران بین المللی به سرپرستی «دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا»(Penn State) در پژوهش جدیدی نشان داده اند نوع جدیدی از پلیمر فروالکتریک که در تبدیل کردن انرژی الکتریکی به کشش مکانیکی فوق العاده خوب است، می تواند یک کنترل کننده یا محرک حرکتی با کارآیی بالا باشد. به قول آنها، این پلیمر برای کاربرد در دستگاههای پزشکی، رباتیک پیشرفته و سیستم های موقعیت یابی دقیق، بسیار نویدبخش است.
کشش مکانیکی که نحوه تغییر شکل یک ماده هنگام اعمال نیرو است، یک خصوصیت مهم برای یک محرک به حساب می آید. این مواد محرک به صورت سنتی، سفت و سخت هستند اما محرک های نرم مانند پلیمرهای فروالکتریک، انعطاف پذیری و سازگاری محیطی بالاتری را نشان می دهند.
این پژوهش، پتانسیل نانوکامپوزیت های پلیمری فروالکتریک را برای غلبه کردن بر محدودیت کامپوزیت های پلیمری پیزوالکتریک سنتی نشان داده است و یک راه امیدوارکننده برای توسعه محرک های نرم با کشش و انرژی مکانیکی بیشتر است. محرک های نرم به علت استحکام، قدرت و انعطاف پذیری خود مورد توجه پژوهشگران حوزه رباتیک هستند.
«کینگ وانگ»(Qing Wang) استاد علوم و مهندسی مواد در دانشگاه پنسیلوانیا و از پژوهشگران این پروژه اظهار داشت: حالا به صورت بالقوه می توانیم تجهیزات رباتیک نرمی را داشته باشیم که از آن بعنوان عضله مصنوعی یاد می نماییم. بدین ترتیب، می توانیم ماده نرمی داشته باشیم که علاوه بر فشار زیاد، بار زیادی را هم تحمل کند. این ماده، بیشتر به عضله انسان شباهت دارد.
قبل از این که مواد مورد نظر بتوانند وعده خویش را برآورده کنند، چند مانع وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد و چاره هایی برای غلبه کردن بر این موانع در پژوهش حاضر پیشنهاد شده اند. فروالکتریک ها گروهی از مواد هستند که وقتی بار الکتریکی بیرونی اعمال می شود و بارهای مثبت و منفی در مواد به قطب های متفاوت می روند، قطبش الکتریکی خودجوش را نشان می دهند. کشش در این مواد طی روند انتقال فاز که در این مورد تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است، می تواند خصوصیت هایی مانند شکل مواد را به صورت کامل تغییر دهد و آنها را به محرک مفید تبدیل کند.
یکی از کاربردهای رایج محرک فروالکتریک، چاپگر جوهرافشان است که در آن شارژ الکتریکی، شکل محرک را تغییر می دهد تا نازل های ریزی که جوهر را روی کاغذ می ریزند و متن و تصویر را می سازند، دقیقاً کنترل شوند.
وانگ افزود: در این پژوهش، ما چاره هایی را برای دو چالش عمده در زمینه تحریک مواد نرم پیشنهاد کرده ایم. یکی اینست که چطور می توان نیروی مواد نرم را بهبود بخشید. ما می دانیم مواد محرک نرم که پلیمر هستند، بیشترین کشش را دارند اما در مقایسه با مواد پیزوالکتریک، نیروی بسیار کمتری را تولید می کنند.
چالش دوم اینست که یک محرک پلیمری فروالکتریک معمولاً به میدان محرکه بسیار بالایی نیاز دارد که نیروی عامل تغییر را بر سیستم تحمیل می کند و برای مثال، شکل آنرا تغییر می دهد. در این مورد، برای ایجاد تغییر شکل در پلیمر و ایجاد واکنش فروالکتریک مورد نیاز برای تبدیل شدن به یک محرک، وجود میدان محرکه بالا ضروریست.
چاره پیشنهادی برای بهبود عملکرد پلیمرهای فروالکتریک، توسعه نانوکامپوزیت پلیمری فروالکتریک قابل نفوذ است. پژوهشگران با ترکیب کردن نانوذرات در نوعی پلیمر معروف به «پلی وینیلیدین فلورید»(Polyvinylidene fluoride)، یک شبکه به هم پیوسته از قطب ها را در پلیمر به وجود آوردند.
این شبکه یک انتقال فاز فروالکتریک را در میدان های الکتریکی بسیار کمتر از حد معمول القا می کند. این نتیجه از راه یک روش الکتروحرارتی با استفاده از گرمایش ژول به دست آمد. استفاده از گرمایش ژول برای القای انتقال فاز در پلیمر نانوکامپوزیت فقط به کمتر از ۱۰ درصد قدرت میدان الکتریکی نیاز دارد که معمولاً برای تغییر فاز فروالکتریک مورد نیاز است.
وانگ اضافه کرد: این کشش و نیرو در مواد فروالکتریک معمولاً با یکدیگر در یک رابطه معکوس همبستگی دارند. حالا می توانیم آنها را با هم در یک ماده ادغام نماییم. ما متد جدیدی را برای هدایت این رابطه با استفاده از گرمایش ژول ایجاد کردیم. از آنجائیکه میدان محرکه بسیار پایین تر از ۱۰ درصد خواهد بود، این ماده جدید می تواند برای خیلی از کاربردها مانند دستگاههای پزشکی، دستگاههای نوری و رباتیک نرم که برای موثر بودن به میدان محرکه پایین نیاز دارند، استفاده گردد.
این پژوهش، در مجله «Nature Materials» به چاپ رسید.
منبع: digitaler.ir
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب