Интенсивно ведется поиск материалов, работающих в качестве искусственных мышц в роботизированных устройствах, которые могут конкурировать со скелетными мышцами млекопитающих. Такие материалы должны самостоятельно приводиться в действие при определенных стимулах без использования механических компонентов, таких как зубчатые колеса, шкивы или ремни. Многие материальные системы способны производить привод от электричества, но им требуется электропроводка и дополнительные компоненты, такие как электролиты и электроды, что ограничивает их применение.
Поэтому материалы, способные срабатывать при воздействии света, представляют большой интерес. Они обладают огромным потенциалом в применении в качестве беспроводных приводов для микророботов.
Было установлено, что некоторые светочувствительные материалы:
- обладают световыми управляющими свойствами, но большинство из них работают от ультрафиолетового или ближнего инфракрасного света;
- имеют очень медленную реакцию срабатывания, которая может занять десятки секунд;
- требуют очень высокой интенсивности света, но при этом создают относительно небольшое управляющее напряжение.
В этой статье речь пойдет об световом материале, стимулирующем воздействие системы, гидроксид-оксигидроксиде никеля [Ni(OH)2-NiOOH], который работает при видимом свете низкой интенсивности.
Ni(OH)2-NiOOH - окислительно-восстановительная пара, ранее использовалась в электродах перезаряжаемых батарей. Недавно была изучена на предмет влияния электрохимического воздействия на электрический потенциал заряда щелочным электролитом.
Свойства материала.
- Такой рабочий материал имеет турбостратическую кристаллическую структуру, способную перемешивать воду.
- Интеркалированная вода может быстро и обратимо удаляться в окружающую среду при видимом свете низкой интенсивности, что приводит к быстрому срабатыванию, управляемому по беспроводному каналу света.
- Путем нанесения гальванического покрытия на пассивные подложки создаются пленочные актуаторы. Они способны подвергаться обратимому изгибу и скручиванию с внутренней управляющей нагрузкой от 5 до 65 мегапаскалей со скоростью срабатывания порядка десятков - сотен градусов в секунду. Это зависит от интенсивности света, сопоставимой с интенсивностью света в скелетных мышцах млекопитающих.
- Посредством намеренного гальванического покрытия гидроксид-оксигидроксида никеля достигается навесной привод, способный поднимать объекты весом в 100 раз больше веса управляющего материала.
На основе этих свойств создали беспроводные управляющие устройства, способные:
- самостоятельно складываться и поднимать тяжести;
- срабатывать при солнечном свете,
- имитировать биотехнологию и беспроводную стимуляцию ходячего робота.
Кроме того, благодаря независимому механизму электрохимической окислительно-восстановительной реакции, изменяющей объем, форма изготовленного привода может быть изменена. Это имеет большое значение для наружного применения, в котором тонкопленочные приводы в целом могут быть чувствительными в условиях окружающей среды.
Свойство Ni(OH)2-NiOOOH к действию света делает его важным дополнением к известной группе светоиндуцированных искусственных мышц, которые в основном функционируют при ультрафиолете и инфракрасном излучении. Кроме того, источники света низкой интенсивности легкодоступны и значительно дешевле, что является еще одним преимуществом материала.
Значение.
Для дальнейшего развития современных световых приводов желательно увеличить рабочий слой гидроксид-оксигидроксида никеля. Большое количество приводов может быть объединено вместе, чтобы получить большое общее усилие срабатывания. Затенение или взаимное освещение между электроприводами может стать проблемой, но ее можно решить, разработав соответствующую систему управления освещением или систему подачи для равномерного распределения света между всеми электроприводами. Один или несколько исполнительных механизмов из такого материала уже используются для микророботов.
Другим перспективным направлением исследований станут рабочие материалы для производства приводов с помощью автоматизированного проектирования и анализа методом конечных элементов. При таких конфигурациях электропривода могут быть реализованы и другие режимы управления, например, скручивание и вращение. Приведенные результаты по внутренним управляющим свойствам могут предоставить необходимые данные для таких разработок.