Использование флексоэлектричества в мягких эластомерах для улучшения мобильности роботов

Некоторые материалы в природе могут значительно менять размер и форму — или деформироваться — как резиновая лента, когда посылается электрический сигнал. Материалы действуют как преобразователь энергии, который деформируется при подаче электрического сигнала или вырабатывает электричество при манипулировании. Это называется пьезоэлектричеством и полезно в создании сенсоров и лазерной электроники, среди нескольких других конечных применений. Эти природные материалы редки и состоят из жестких кристаллических структур, которые часто токсичны — три четких недостатка для человеческих приложений.

Искусственные полимеры предлагают шаги к устранению этих болевых точек, устраняя дефицит материалов и создавая мягкие полимеры, способные гнуться и растягиваться — известные как мягкие эластомеры — но ранее эти мягкие эластомеры не обладали значительными пьезоэлектрическими атрибутами.

Исследователи продемонстрировали «гигантский флексоэлектрический эффект» в мягких эластомерах, который может улучшить диапазон движений роботов и сделать самозаправляемые кардиостимуляторы реальной возможностью. Эта теория создает связь между электричеством и механическим движением в мягких, резиноподобных материалах. Хотя некоторые полимеры слабо пьезоэлектричны, нет мягких резиноподобных материалов, которые были бы пьезоэлектричными. Термин для этих многофункциональных мягких эластомеров с повышенной способностью — «гигантский флексоэлектрический эффект»; иными словами, усиление флексоэлектрической производительности в мягких материалах.

В большинстве мягких резиновых материалов флексоэлектричество довольно слабо, но путем переупорядочивания цепей в элементарных ячейках на молекулярном уровне теория показывает, что мягкие эластомеры могут достичь флексоэлектричества почти в 10⁴ раз выше обычного количества. Человекоподобные роботы, сделанные из мягких эластомеров с повышенными флексоэлектрическими свойствами, были бы способны на больший диапазон движений для выполнения физических задач. Кардиостимуляторы, имплантируемые в человеческое сердце и использующие литий-евые батареи, могли бы быть самозаправляемыми, так как естественное движение генерирует электрическую энергию.

Механика мягких эластомеров, генерирующих и манипулируемых электрическими сигналами, реплицирует похожую функцию, наблюдаемую в человеческих ушах. Звуки попадают на барабанную перепонку, которая затем вибрирует и посылает электрические сигналы в мозг, где они интерпретируются. В этом случае движение может манипулировать мягкими эластомерами и генерировать электричество для питания устройства само по себе. Этот процесс самогенерации энергии движением является шагом вперед от типичной батареи.

Усилия по улучшению флексоэлектрического эффекта в мягких эластомерах будут фокусом дальнейшего изучения.