Умный эластомер, который может самостоятельно

27 января 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Шиян Тан, Университет Бирмингема

Умные материалы — это материалы, которые способны изменять свои свойства в ответ на определенные внешние раздражители, такие как температура, влажность, свет или приложенное напряжение. Одним из наиболее известных примеров умных материалов является сплав с памятью формы (SMA), который представляет собой тип металлического материала, который может менять свою форму в ответ на изменения температуры.

Другой пример «умных» материалов — пьезоэлектрические материалы, которые генерируют электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Умные материалы имеют широкий спектр потенциальных применений, в том числе в аэрокосмической, автомобильной, робототехнике, производстве и биомедицинской инженерии.

Материалы переменной жесткости — это тип интеллектуальных материалов, которые имеют возможность настраивать свою жесткость или устойчивость к деформации в ответ на внешние раздражители. Это свойство позволяет материалу адаптироваться к меняющимся условиям и улучшать характеристики в широком диапазоне сред.

Одним из основных преимуществ материалов переменной жесткости является то, что они могут повысить эффективность, безопасность и надежность механических систем. Например, материалы переменной жесткости можно использовать для создания роботизированных манипуляторов и захватов, способных адаптироваться к различным объектам и средам. Это позволяет роботизированной руке или захвату обрабатывать ряд различных объектов разной формы, размера и веса, что может снизить сложность и повысить общую эффективность роботизированной системы.

Инновационные интеллектуальные материалы с настраиваемыми электромеханическими свойствами совершают революцию в области производства носимых устройств и робототехники. Однако на сегодняшний день еще не создан материал, который мог бы разумно самостоятельно настраивать свои электрические и механические свойства в ответ на изменения окружающей среды и синергетически использовать измененные свойства без внешнего контроля.

Чтобы восполнить этот пробел, совместная исследовательская группа под руководством доктора Шиян Танга из Университета Бирмингема вместе с сотрудниками из Университета науки и технологий Китая, Кембриджского университета и Университета Вуллонгонга разработала умный материал под названием Металлогибридный эластомер наполнителя Field (FMHE). FMHE состоит из гибридных наполнителей из металла Филда (нетоксичного сплава с низкой температурой плавления) и микрочастиц никеля с шипами, встроенных в эластомерную матрицу.

Об этом исследовании сообщалось в их недавней статье, опубликованной в журнале Science Advances.

FMHE, созданный исследователями, может реагировать как на механическое напряжение, так и на электрические токи, демонстрируя переменную и настраиваемую электропроводность и жесткость без внешнего контроля. Плавление и затвердевание металла Филда позволяет изменить жесткость. FMHE также демонстрирует нетрадиционное отрицательное пьезорезистивное сопротивление и высокую чувствительность к деформации, при этом удельное сопротивление уменьшается в миллионы раз как при сжатии, так и при растяжении.

Используя эти свойства синергетически, исследователи продемонстрировали два применения в интеллектуальных и отказоустойчивых системах, производительность которых повысилась более чем на порядок по сравнению с современными системами. Первое применение — это самозапускающийся многоосный компенсатор податливости, который может защитить роботизированные манипуляторы от чрезмерных сжимающих, изгибающих и скручивающих движений.