Учёные разработали сегнетоэлектрический полимер, который обещает прорыв в гибкой робототехнике
Разработка сегнетоэлектрического полимера группой учёных из Университета штата Пенсильвания может кардинально изменить подход к созданию мягких роботов и медицинских имплантатов. Новый материал, преобразующий электричество в механическое движение с рекордной эффективностью, решает главную проблему современной робототехники: неспособность «мягких» механизмов сочетать гибкость с силой, сопоставимой с усилием человеческой мышцы.
Искусственные мышцы: как полимер имитирует биологическую ткань
Ключевое отличие разработки — способность к значительной механической деформации при низких затратах энергии. В отличие от жесткой пьезоэлектрической керамики, которая дает большую силу, но малую амплитуду движения, новый материал демонстрирует «гибкую силу». Исследователи смогли снизить напряженность электрического поля, необходимую для изменения формы полимера, что открывает путь к созданию безопасных и точных приводов для контактного взаимодействия с человеком.
Преодоление фундаментальных ограничений материаловедения
Главным препятствием на пути к «искусственным мышцам» всегда был компромисс между силой и деформацией. Мягкие полимеры легко гнутся, но не могут поднять вес. Керамика мощна, но хрупка. Решение, предложенное командой профессора Цин Вана, заключается в создании перколяционного нанокомпозита. Внедрение наночастиц в матрицу поливинилиденфторида (PVDF) сформировало внутри материала взаимосвязанную сеть электрических полюсов. Эта структура позволяет материалу «сокращаться» с большей силой, оставаясь при этом гибким.
«Потенциально мы можем получить тип мягкой робототехники, которую мы называем искусственными мышцами, — отметил профессор Ванг. — Это позволит получить мягкую материю, способную выдерживать большую нагрузку в дополнение к большой деформации». Таким образом, полимер имитирует работу биологической мускулатуры, где сокращение волокон происходит за счет химической энергии, а здесь — за счет электрической.
Области применения: от хирургии до микроэлектроники
Низкое «движущее поле» (напряжение) делает материал безопасным для использования в медицинских приборах. В первую очередь речь идет о дистанционных нейрохирургических операциях, где требуется высокая точность и тактильная обратная связь. Мягкий актуатор может стать основой для манипуляторов, способных проникать в труднодоступные зоны без риска повреждения тканей. Кроме того, материал перспективен для оптических устройств и систем точного позиционирования, где важна плавность и микроскопическая точность движения.
В 2023 году российские инженеры уже представили прототип робота для дистанционной нейрохирургии с трансляцией тактильных ощущений. Новая разработка из Пенсильвании потенциально способна решить проблему «жесткости» таких манипуляторов, сделав их более адаптивными. Переход от жестких механизмов к мягким аналогам является глобальным трендом в робототехнике, и данный полимер предлагает конкретный путь для коммерциализации этой концепции.
