Discaver
Регистрация Авторизация В избранное
 
 
Ваше здорове и красота
Авторизация
Логин:
Пароль:
Запомнить
Забыли пароль?

проститутки и индивидуалки уфы на центральном рынке Тогда процесс поиска будет максимально ускорен. У нас на портале выложены фото проституток Уфы, все фотографии девушек настоящие, они готовы помочь вам скрасить одиночество. Звоните по указанным в анкетах телефонам и договаривайтесь о встрече, если у вас есть дополнительные вопросы, то наши фривольные проказницы ответят на них и учтут все ваши пожелания. +
Создать блог бесплатно

 Создайте свой блог на нашем сайте!

Искуственные мускулы.

17 сентября 2010 - Администратор

    Когда-нибудь робот с мускулами из электроактивных полимеров сможет выступить на соревнованиях по арм-реслингу.

    Всего за $100 можно купить аквариум с японскими рыбками-роботами, ко торые плавают в воде как живые. Как ни странно, в них нет ни одной меха нической детали – ни моторчика, ни шестеренок, ни даже батареек. Само произвольно изгибающиеся внутрен ности ярко раскрашенных малюток изготовлены из электроактивного по лимера (ЭАП) – пластика, который движется под действием электриче ского поля.

    Инженеры, занимающиеся создани- ем механических приводов, давно пы таются найти искусственный эквива лент живым мышцам, которые в ответ на нервный импульс сокращаются ссилой, достаточной, чтобы опустить веко или поднять штангу. Благодаря масштабной инвариантности они одинаково эффективны при любых размерах – одна и та же мышечная ткань приводит в движение и насеко мое, и слона. Материал с похожими свойствами был бы незаменим в уст ройствах, для которых трудно изгото вить миниатюрные электромоторы.

Надежды на создание искусствен ных мышц связаны с электроактивны ми полимерами. Конструкторы, зани мающиеся разработкой устройств на основе ЭАП, вскоре будут готовы к со ревнованию с матушкой-природой. Несколько лет назад Йозеф Бар-Коэн (Yoseph Bar-Cohen), старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory JPL) в Пасадине, штат Калифорния, бросил вызов сообществу разработ чиков электроактивных полимеров иучредил денежную премию для ис следовательской группы, которая смо жет изготовить из ЭАП искусственную руку, способную победить человека вматче по арм-реслингу.

Наибольшие успехи достигнуты в некоммерческой лаборатории SRI International в Менло-Парк, штат Ка лифорния. Руководство SRI надеется в течение ближайших месяцев создать дочернюю фирму Artificial Muscle Incorporated для продвижения на ры нок запатентованных ЭАП-техноло гий. Компания уже заключила не сколько научно-производственных контрактов с правительством США и крупнейшими производителями иг рушек, автомобилей, электроники, ме дицинской аппаратуры и обуви, заин тересованными в замене дорогих ми кроэлектродвигателей на дешевые и легкие искусственные мышцы.

Подвижные материалы.

    С середины 90-х гг. Бар-Коэн неофици-ально координирует разношерстное международное сообщество разработ чиков ЭАП. Добившись финансирова ния NASA, он занялся поиском тех, кто достиг успехов на этом поприще. Вско ре Бар-Коэн организовал первую науч ную конференцию по проблеме ЭАП, учредил информационный бюллетень, открыл веб-сайт и издал две книги по вопросам зарождающейся технологии. До появления ЭАП у микроэлектро двигателей была всего одна альтерна тива – использование пьезокерамики. Если подать электрическое напряже ние на пьезокристалл, то он дефор мируется; если его деформировать, он наэлектризуется.

    Вместе с коллегами из JPL и Cyber- sonics Бар-Коэн занимается изготовле нием пьезокерамических дисков цир конат-титаната свинца, которые под действием электрического напряжения сжимаются или расширяются на доли процента. Переменное напряжение ультразвуковой частоты заставляет набор таких дисков раскачивать мас сивный ударник вибродрели, без тру-да вгрызающейся в твердые камен- ные блоки. Изрешеченные гранитные плиты впечатляющая демонстрация работы пьезокерамического привода. Но во многих случаях инженерам требуются электроактивные материалы, линей ные размеры которых могут изме няться на десятки и даже сотни про центов.

Реагирующие пластики

 

    Полимеры, изменяющие форму под действием электрического поля, мож но разделить на две группы: ионные иэлектронные. И у тех и у других свои преимущества и недостатки.

    Ионные электроактивные полимеры включают в себя ионные полимерные гели, иономерные полимер-металли ческие композиты, проводящие поли меры и углеродные нанотрубки. Их действие основано на электрохимии движении или диффузии заряженных ионов. Они работают от обычной ба тареи, поскольку даже небольшое на пряжение приводит к значительной деформации. К сожалению, такие материалы должны быть постоянно влажными, и их приходится заклю чать в гибкую герметичную оболочку. Есть и другой существенный недоста ток: материал движется все время, пока через него течет ток. Если напря жение превышает определенный уро вень, начинается электролиз, необра тимо повреждающий материал.

    Электронные ЭАП, такие как ферро электрические полимеры и электро стрикционные привитые эластомеры, приводятся в действие электрическим полем высокого напряжения, что свя зано с определенной опасностью. Однако материалы этой группы от личаются высоким быстродействием изначительными механическими уси лиями. Им не требуется защита по верхности, а в фиксированном поло жении они почти не потребляют энергии. Полимеры для искусствен ных мускулов, разрабатываемые в SRI, относятся к электронным ЭАП.

Электричество растягивает пластик.

    Искусственные мускулы устроены сравнительно просто. Многие диэлектрические эластомеры (класс изолиру ющих электроактивных пластических материалов), та кие как силиконовые и акриловые пластики, под дейст вием высоковольтного электрического поля сжимаются вдоль силовых линий и расширяются перпендикулярно им. Представьте себе конденсатор – две параллельные проводящие пластины, между которыми проложен изо лятор. При подаче напряжения положительные и отри цательные заряды скапливаются на противоположных пластинах. Они притягиваются друг к другу и сжимают полимерный изолятор, который при этом расширяется. Тонкая пленка диэлектрического эластомера (обычно толщиной 30–60 мкм) ламинируется с обеих сторон про водящими углеродными частицами, взвешенными в мяг кой полимерной матрице. Углеродный слой, соединен ный проводниками с источником питания, представляет собой эластичный электрод, который может расширять ся вместе с пластиком. Из таких слоистых пластиковых пленок изготавливается целый ряд новых приводов, сен соров и электрогенераторов. Диэлектрические эластомеры, размер которых может уве личиваться на 380%, – наиболее эффективный, но не единст венный тип электроактивных материалов. График справа позволяет сравнить различные материалы и устройства, активируемые электрическим током, электростатическим и электромагнитным полями. Коэффициент деформации характеризует удельное растяжение на единицу длины материала. В качестве силовой характеристики выбрано отношение достигаемого давления к плотности материа ла. Наибольшие деформации и усилия свойственны диэ лектрическим эластомерам, которые по этим показателям схожи с мышцами животных.

ПРУЖИННЫЕ ВАЛИКИ, ЗМЕИ И РУКИ РОБОТОВ

    Валиковый привод представляет собой сжатую спиральную пружину, обернутую двумя слоями пленки из диэлектрического эластомера (ламинированного с обеих сторон эластичными электродами). Пружинные валики могут применяться во всех случаях, когда нужно обеспечить простое линейное перемещение, например, в механизмах роботов, протезов, клапанов и насосов. Сейчас такие двигатели вырабатывают усилие до 30 Н (около 3 кг), линейное смещение около 2 см и частоту срабатывания более 50 Гц. Для повышения эффективности можно соединить несколько элементарных приводов последовательно или параллельно. Небольшая доработка и валик начинает изгибаться по команде. Электроды специальной формы наносятся на пленку из диэлектрического эластомера таким образом, что валик фактически представляет собой два независимо возбуждаемых привода. Например, если подать напряжение только на левую сторону валика, его правая часть остается неподвижной, и валик изогнется вправо. При подаче напряжения на обе половины цилиндр удлиняется. Усложнив конфигурацию независимых электродов, можно добиться более сложного движения. Изгибающиеся ролики найдут применение в роботахзмеях, манипуляторах, управляемых катетерах и эндоскопах, шагающих машинах и антенных механизмах.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

Для изготовления«активных» камуфляжных материалов необходимо сделать их текстуру управляемой. Регули руя рельеф поверхности крыла самолета или корпуса корабля, удается добиться лучшего об текания воздухом и водой. Так же с помощью изменяемой тек стуры можно создать осязаемые рельефы, включая алфавит Брайля для слепых. В большинстве приводов диэлект рические эластомеры деформи руются вдоль плоскости пленки, аизменение их толщины едва за метно. Но, покрывая тонкие пленоч ные слои с узорными эластичными электродами более толстыми и мяг кими слоями полимерного геля, можно достичь значительного изменения толщины. Гель вытекает из области расширения пленки за счет ее утончения и создает вы ступы там, где она сжимается. Из менение толщины гелевого слоя легко увидеть и почувствовать на ощупь.

ПОСЛУШНЫЕ МЕМБРАНЫ

Для изготовления диафрагменного привода достаточно натянуть пленку из диэлектрического эластомера на жесткую рамку. Чтобы при подаче напряжения диафрагма двигалась в определенном направлении (вверх или вниз), а не просто сморщивалась, ее оттягивают с помощью пружины или обеспечивая небольшой избыток давления газа или жидкости. Диа фрагменные приводы полезны в тех случаях, когда нужно добиться изме нения объема, например в насосах и громкоговорителях. Аналогичные устройства на пьезоэлектриках используются довольно давно, однако применение диэлектрических эластомеров позволяет получить большие смещения. В некоторых приборах диафрагма из плоской превращается в полусферическую (см. рис. внизу).

«КАБЛУЧНЫЕ» ГЕНЕРАТОРЫ

    Обычно на диэлектрический эластомер подается электрическое напряжение, деформирующее его. Вместе сформой полимерной пленки изменяется и эффективная емкость устройства, и это позволяет с помощью соответствующей электроники вырабатывать электро энергию. Генераторы из таких материалов получаются весьма эффективными и необычайно легкими. Применение диэлектрических эластомеров целесообразно в тех случаях, когда электроэнергия вырабатывается за счет больших перемещений, например, за счет ветра, морских волн или движений человека во время ходьбы или бега. «Каблучный» генератор неутяжеляет обмундирование и эффективно преобразует давление пятки на каблук в деформацию сборки из многослойных диафрагм. Инженеры из SRI полагают, что мощность подобных гене раторов при нормальной ходьбе может достигать 1 Вт. Уже разрабатывается источник питания такого типа для солдатского полевого обмундирования. Аналогичные устройства найдут и гражданское применение, например, в качестве подзарядки для сотовых телефонов и портативных компьютеров.

Электризуемая резина

    SRI International начала работу над соз данием искусственных мышц в 1992 г. Изучив материалы, близкие по характе ристикам к мышечной ткани, исследо ватели остановились на электрострик ционных полимерах. Углеводородные молекулы образуют в них полукри сталлические структуры, обладающие пьезоэлектрическими свойствами.
    Все изолирующие пластики, такиекак полиуретан, под действием элект рического поля сжимаются вдоль сило вых линий и расширяются перпендику лярно им. Это явление носит название максвелловской деформации. Оно из вестно давно, но обычно рассматрива лось как побочный эффект.

    Полимеры более мягкие, чем поли уретан, сильнее деформируются под действием электростатического по ля. Испытывая мягкие силиконы, уче ные из SRI вскоре достигли вполне удовлетворительных значений удель ного смещения – от 20% до 30%. Но вые материалы – силиконы и другие мягкие пластики – были названы эла стомерами (иногда их называют по лимерами, активируемыми электри ческим полем).

    Выбрав ряд перспективных мате риалов, исследовательская группа занялась разработкой конкретных устройств. Серьезную финансовую поддержку оказали Управление пер спективных исследований и разрабо ток министерства обороны США (DARPA) и Управление военномор ских исследований, заинтересован ные в применении новой технологии в военных целях, например, для созда ния разведывательных роботов и лег ких электрогенераторов.

    Для ЭАП с большим коэффициен том деформации необходимо было создать растяжимые электроды. Кон структоры решили внедрить частицы углерода в матрицу из эластомера, ко торая легко растягивается вместе с пластиком и обеспечивает распреде ление электрического поля по всей рабочей поверхности. В лаборатории компании нам пока зали рамку 15 на 15 см, туго обтянутую пластиковой оберткой для пищевых продуктов, рулон которой можно ку пить повсюду. Стоит нажать кнопку на источнике питания, и электроды, расположенные по обе стороны пленки, увеличиваются в диаметре с 2 до 4 см. После выключения питания диски мгновенно возвращаются в прежнее состояние. Устройство представляет собой конденсатор – две заряженные параллельные пластины с прокладкой из диэлектрика. При подаче напряжения положительные и отрицательные заряды собираются на противоположных электродах, притягивают их друг к другу и сжимают полимерный изолятор, площадь которого увеличивается. Несмотря на то что был разработан целый ряд перспективных материалов, создание полезных устройств на их основе потребовало значительных усилий. Однако два достижения 1999 г. вызвали большой интерес государственных и частных заказчиков. Во-первых, было замечено, что предварительное растяжение полимеров радикально улучшает их характе ристики и способствует увеличению коэффициента деформации и элект рической прочности на пробой почти в 100 раз. Специалисты SRI предполагают, что молекулярные цепочки ориентируются вдоль плоскости растяжения и делают ее более прочной. Для достижения эффекта предварительного напряжения в разработанных инженерами SRI приводах встроена специальная внешняя обтяжка. Вовторых, когда в поисках наилучшего пластика были проанализированы почти все известные эластичные материалы, ученые наткнулись на акриловый эластомер, который способен претерпевать гигантские деформации (до 380%) с выделением большого количества энергии. Сделанные открытия позволили начать работу над созданием реальных устройств.

Реализация

 

    Полезный эффект может быть полу чен при использовании многих акри ловых и силиконовых полимеров и да же, в некоторой степени, натуральной резины. Для производства искусст венных мышц, работающих в экстре мальных условиях открытого космо са, подойдут силиконовые пластики, функционирующие в вакууме даже при –100°С. Для достижения большой выходной мощности можно увели чить объем полимера или объединить несколько элементарных приводов последовательно или параллельно. Для активации эластомеров требу ется довольно высокое напряжение от 1 кВ до 5 кВ. Однако устройства работают при очень малых токах и поэ тому мало нагреваются. Чем выше напряжение, тем больше достигаемое растяжение и усилие. Единственное ограничение – электрическая прочность диэлектрика на пробой. Необходимость использования высокого напряжения не должна вызывать беспокойство: в конце концов, люминесцентные лампы и электрон но-лучевые трубки – тоже высоко вольтные устройства, но их никто не опасается. Однако технические труд ности возникают при изготовлении переносных приборов, т.к. для обычных низковольтных батарей требуются преобразователи напряжения. Лишь недавно ученым из Пенсильван ского университета удалось понизить напряжение активации некоторых композитов из электрострикционных полимеров и других материалов. Потребуется дополнительное время на исследование надежности приводов на основе диэлектрических эластомеров, разработанных в SRI. Одноиз уст ройств, характеризующихся удельной деформацией в 5–10%, уже было испытано в 10 млн. рабочих циклов. Другой прибор успешно увеличивал и умень шал свою площадь на 50% 1 млн. раз подряд. Хотя искусственные мышцы гораз до легче электромоторов, инженеры SRI продолжают работать над снижением веса мышечных приводов за счет облегчения внешних конструкций, обеспечивающих предварительное напряжение полимеров

Производство изделий

    Завершив разработку основных механизмов, группа SRI приступила к внедрению их в целом ряде оригинальных направлений:

    Линейные приводы. Для изготовленияпружинных валиков (spring rolls) ин- женеры наматывают вокруг спираль ной пружины несколько слоев пленки из предварительно напряженного ла минированного эластомера. Сжатие пружины обеспечивает предвари тельное напряжение по внешней по верхности, а предварительное сжатие пленки в продольном направлении удерживает пружину в сжатом состоя нии. При подаче электричества пленка утончается, растягиваясь в продоль ном направлении, и пружина удлиня ется. Такие устройства заинтересовали автомобилестроителей: они компакт ны, обеспечивают большие усилия имогут вытеснить электродвигатели, применяемые для автоматического уп равления положением сидений и в кла панной системе высокоэффективных безкулачковых двигателей. Изгибающиеся валики. На внешней поверхности пружинного валика мож но расположить пленку, состоящую из нескольких секций с индивидуаль ными электродами. Активация одного сегмента вызовет его удлинение, и весь валик наклонится в противоположную сторону. Подобные механизмы могут выполнять сложные движения, кото рые трудно воспроизвести с помощью обычных моторов и зубчатых передач. Они найдут применение в управляе мых медицинских катетерах и в так называемых роботах-змеях. Пушпульные приводы. Пара пластин из диэлектрического эластомера или пара пружинных валиков может быть вклю чена по схеме «тяни-толкай» (push-pull). Переключая напряжение с одного эле ментарного привода на другой, можно обеспечить возвратно-поступательное движение. Одновременная активация обоих устройств позволяет получить жесткую сборку в нейтральном поло жении. Такой привод может работать как противостоящие друг другу бицепс и трицепс, управляющие движением человеческой руки. Громкоговорители. Если натянуть пленку из диэлектрического эласто мера на рамку, то, подчиняясь подан ному электрическому сигналу, она начнет быстро сжиматься и расши ряться, издавая звук. Такое устройство может работать как легкий, плоский и недорогой громкоговоритель. Су ществующие конструкции обладают хорошими характеристиками в облас ти средних и высоких частот. И хотя работа устройства в низкочастотном диапазоне пока не оптимизирована, непреодолимых препятствий для это го не существует. Насосы. Конструкция диафрагменно го насоса из диэлектрического эла стомера аналогична конструкции громкоговорителя, к которому добав лен резервуар и два однопроходных ограничительных клапана для управ ления потоком жидкости. Датчики. Благодаря своей пьезоэлек трической природе все разрабатыва емые в SRI устройства с диэлектри ческими эластомерами генерируют электрический сигнал в ответ на из гиб или растяжение. Таким образом, каждое из них представляет собой однокомпонентный датчик. Уже раз работана конструкция сенсоров, оп ределяющих степень натяжения авто мобильных ремней безопасности. Кроме того, похожие датчики могут быть встроены во многие волокни стые материалы и ткани. Управляемые поверхности. Если на полимер нанести определенный рисунок из электродного покрытия, то можно получить поверхность с управляемым рельефом. Технология подходит для создания камуфляжных тканей с изменяемой отражательной способностью и получения «ребрышек», улучшаю щих аэродинамические характеристики самолетных крыльев. Источники электропитания. Способность ЭАП в результате деформации генерировать электричество позволяет изготавливать на их основе электрогенераторы с переменной емкостью. DARPA и армия США финансируют разработку «каблучных» генераторов портативных источников питания, за меняющих батареи. Делая один шаг в секунду, человек среднего веса может вырабатывать мощность порядка 1 Вт. Изобретение уже привлекло внима ние обувных компаний. Аналогичные устройства нетрудно вмонтировать в лямки рюкзака или в подвеску автомобиля. Возможно, новая концепция найдет применение в волновых и ветровых электрогенераторах. Недавно исследователи SRI испытали «полимерный двигатель». В закрытой камере воспламенялся пропан, и давление, созданное продуктами сгорания, деформировало диафрагму из диэлектрического эластомера, вырабатывающую электричество. На очереди устройства внешнего сгорания, основанные на цикле Стерлинга. Со временем конструкторы планируют создать эффективные генераторы размером не больше сантиметра. Несмотря на то что продукты, действительно достойные рынка, пока находятся в стадии разработки, Бар-Коэн имеет все основания для беспокойства в связи с предстоящими соревнованиями по арм-реслингу. «Я считал, что потребуется не меньше 20 лет, чтобы кто-то разработал меха ническую руку, достаточно сильную для соревнования с человеком, – сме ется он. – Теперь специалисты SRI уже готовы сделать ее, а мы все еще не со брали денег на приз!»

Рейтинг: +1 Голосов: 1

Просмотров:    2437  

Загрузка комментариев...

← Назад

 
 
= wom.in.ua