Команда профессора Лэн Цзиньсун совершила крупный прорыв в области искусственных мышц
Новости ХПУ (текст Института Аэрокосмонавтики). 29 января ХПУ при сотрудничестве с Техасским университетом в Далласе (США) (University of Texas at Dallas), университетом Цзянсу, университетом Ханьян в Южной Корее (Hanyang University) и университетом Вуллонгонг в Австралии (University of Wollongong) впервые обнаружил стратегию функционализации с помощью полиэлектролитов. Она может реализовать преобразование «биполярного» (Bipolar) привода искусственных мышечных интеллектуальных материалов в «униполярный» привод. В то же время, при аномальном явлении (Scan Rate Enhanced Stroke, SRES) было обнаружено, что искусственные мышцы уменьшают емкость и улучшают свои приводные характеристики. Этот важный прорыв решает проблему емкостной зависимости характеристик искусственного мышечного привода и обеспечивает новую теоретическую основу для последующего проектирования высокопроизводительных приводов с нетоксичным и низким напряжением привода.
Результаты исследования вышли под названием: «Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Nanotube Yarn Muscles» и была опубликована в Интернете в известном академическом журнале «Наука» (Science). Наш ХПУ – учреждение соавторов-корреспондентов и первых авторов. Соавторы-корреспонденты – Дин Цзяньнин (Ding Jianning) из Университета Цзянсу, Лэн Цзиньсун (Leng Jinsong) из ХПУ, Рэй Х. Боуман (Ray H. Baughman) из Техасского университета в Далласе (США). Первые авторы – Чу Хэтао (Chu Hetao, бывший докторант профессора Лэн Цзиньсун), Ху Синхао (Hu Singhao), Ван Чжун (Wang Zhong) и Му Цзюке (Mu Jiuke). С 2014 по 2016 год Чу Хэтао проходил совместную докторантуру в Техасском университете в Далласе. С 2014 года исследовательская группа профессора Лэн Цзиньсун и группа профессора Рэя Х. Боумана из Техасского университета в Далласе (США) начали этот проект. Работа была исследована и добилась ключевого прорыва.
В настоящее время новые материалы развиваются от легких и многофункциональных до интеллектуальных. Умные материалы (Smart Materials) относятся к типу новых материалов, которые могут активно реагировать на внешние раздражители. Они имеют множество функций, таких как автономное вождение, самоконтроль и самовосстановление. Они используются в искусственном интеллекте, интеллектуальном производстве, биомедицине, робототехнике и др., имея широкую перспективу в применении. Искусственная мышца из полимерного волокна и пряжи углеродных нанотрубок – это типичный умный материал, который в основном обрабатывается термическими и электрохимическими методами. Согласно закону термодинамики, тепловой привод ограничен эффективностью цикла Карно, что влияет на его прикладной потенциал. По сравнению с тепловым приводом, электрохимический привод преодолевает проблему ограничения эффективности цикла Карно, имеет более высокую эффективность преобразования энергии и имеет более широкие перспективы применения.
Традиционные искусственные мышцы из пряжи электрохимических углеродных нанотрубок (далее именуемые искусственными мышцами) имеют следующие ограничения: (1) Процесс введения и выведения анионов и катионов создает «биполярный» эффект между движущей нагрузкой и напряжением сканирования. Это означает, что в пределах электрохимического окна размер волокна не изменяется монотонно, а введение и выведение противоионов компенсирует управляющую деформацию, тем самым снижая динамические характеристики искусственной мышцы; (2) производительность искусственной мышцы полностью зависит от ёмкостной характеристики рабочего электрода, то есть при увеличении скорости сканирования производительность резко снижается. Следовательно, традиционные искусственные мышцы могут производить только одностороннее движение и должны работать с очень низкой скоростью сокращения.
В ответ на вышеупомянутые проблемы в данном исследовании используется стратегия полиэлектролита (реагент, изменяющий нулевой потенциал) для изменения нулевого потенциала искусственных мышц: (1) реализуется «униполярный» эффект введения и выведения одного иона, решена проблема снижения производительности, вызванная введением и извлечением обратных ионов «биполярного» эффекта, и повышена производительность труда и плотность энергии; (2) По мере увеличения скорости сканирования улучшаются ходовые качества искусственных мышц, реализуется эффект SRES и решена проблема ёмкостной зависимости производительности приводатрадиционных искусственных мышц. Дальнейшие исследования показали, что эффект SRES обусловлен тем фактом, что гидратированные ионы могут управлять окружающими молекулами воды с высокой скоростью сканирования или частотой импульсов, тем самым увеличивая эффективный размер ионов и улучшая работу искусственных мышц.
По сравнению с традиционными искусственными мышцами, вышеупомянутые искусственные мышцы нетоксичны, имеют высокую рабочую частоту (до 10 Гц), низкое напряжение возбуждения (1 В), высокую удельную энергию (0,73-3,5 Дж/г) , высокую деформация привода (3,85-18,6%) и высокую плотность энергии (до 8,17 Вт/г) и др. Такие материалы открывают огромные перспективы применения в областях структуры космического развертывания, бионических самолетов с машущим крылом, деформируемых самолетов, подводной робототехники, гибкого робота, носимого экзоскелета, медицинских роботов и прочее.
Институт композитных материалов и конструкций нашего ХПУ под руководством академиков Ду Шаньи (Du Shanyi) и а Хань Цзецая (Han Jiecai) создал направление исследований интеллектуальных материалов и конструкций в стране еще в начале 1990-х годов. Руководствуясь концепцией развития «уважение к добродетелям и применение принципов к практическому использованию», исследовательская группа профессора Лэн Цзиньсуна уже давно занимается структурной механикой и применением интеллектуальных материалов. Основные направления исследований включают полимеры с памятью формы и их композитные материалы, искусственные мышцы, структуру многофункционального нанокомпозитного материала, структура с расширением пространства, деформируемый летательный аппарат, гибкий робот, технология 4D-печати и биомедицинские устройства, мониторинг состояния конструкции, активный контроль вибрации и т. д.
Ссылка на источник: https://science.sciencemag.org/content/371/6528/494
Сравнение типов искусственных мышц и ходовых «униполярных» и «биполярных» качеств.
