Как полимеры используются в робототехнике

Искусственная мышца, сделанная из растянутого полимера с памятью формы, сокращается при нагревании, сгибая руку манекена.

При растяжении или деформации полимеры с памятью формы возвращаются к своей первоначальной форме после воздействия тепла или света.

Эти материалы очень перспективны для мягкой робототехники, интеллектуальных биомедицинских устройств и развертываемых космических структур, но до сих пор они не могли накапливать достаточно энергии. Теперь исследователи из ACS Central Science разработали полимер с памятью формы, который хранит почти в шесть раз больше энергии, чем предыдущие версии.

Как работают полимеры с памятью формы

Полимеры с памятью формы чередуются между исходным недеформированным состоянием и вторичным деформированным состоянием. Деформированное состояние создается за счет растяжения полимера и удерживается на месте за счет молекулярных изменений, таких как динамические скрепляющие сети или вызванная деформацией кристаллизация, которые обращаются теплом или светом. Затем полимер возвращается в исходное состояние за счет высвобождения накопленной энтропийной энергии. Но ученым было сложно заставить эти полимеры выполнять энергоемкие задачи. Чжэнан Бао и его коллеги хотели разработать новый тип полимера с памятью формы, который растягивается до стабильного, сильно вытянутого состояния, что позволяет ему выделять большое количество энергии при возвращении в исходное состояние.

Исследователи включили звенья 4-, 4′-метилен бисфенилмочевины в основную цепь полимера полипропиленгликоля.

• В исходном состоянии полимера цепи полимера были запутаны и разупорядочены.
• Растяжение заставляло цепи выравниваться и образовывать водородные связи между группами мочевины, создавая надмолекулярные структуры, которые стабилизировали сильно удлиненное состояние.
• Нагревание привело к разрыву связей и сжатию полимера до своего исходного неупорядоченного состояния.

Свойства полимера

В ходе испытаний полимер можно было растянуть до пяти раз по сравнению с исходной длиной и накапливать до 17,9 Дж / г энергии — почти в шесть раз больше энергии, чем предыдущие полимеры с памятью формы. Команда продемонстрировала, что растянутый материал может использовать эту энергию для подъема предметов в 5000 раз больше собственного веса при нагревании. Они также сделали искусственную мышцу, прикрепив предварительно растянутый полимер к верхней и нижней руке деревянного манекена.

При нагревании материал сжимался, заставляя манекен сгибать руку в локте. По словам исследователей, помимо рекордно высокой плотности энергии, полимер с памятью формы также недорог (сырье стоит около 11 долларов за фунт) и прост в производстве.

Источник

Метки: полимеры