Omdannelse af flade elastomerer til 3D-former:En rekonfigurerbar blød aktuator

Mekaniske systemer, såsom motorer og motorer, stole på to hovedtyper af bevægelser af stive komponenter:lineær bevægelse, som involverer et objekt, der bevæger sig fra et punkt til et andet i en lige linje; og roterende bevægelse, som involverer et objekt, der roterer om en akse.

Naturen har udviklet langt mere sofistikerede former for bevægelse - eller aktivering - der kan udføre komplekse funktioner mere direkte og med bløde komponenter. For eksempel, vores øjne kan ændre fokuspunkt ved blot at trække bløde muskler sammen for at ændre formen på hornhinden. I modsætning, kameraer fokuserer ved at flytte solide linser langs en linje, enten manuelt eller med autofokus.

Men hvad nu hvis vi kunne efterligne formændringer og bevægelser fundet i naturen?

Nu, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en metode til at ændre formen på et fladt ark af elastomer, ved hjælp af aktivering, der er hurtig, reversibel, styres af en påført spænding, og omkonfigureres til forskellige former.

Forskningen blev offentliggjort i Naturkommunikation .

"Vi ser dette arbejde som det første skridt i udviklingen af ​​en blød, formskiftende materiale, der ændrer form i henhold til elektriske styresignaler fra en computer, " sagde David Clarke, den udvidede Tarr-familie professor i materialer ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "Dette svarer til de allerførste skridt, der blev taget i 1950'erne for at skabe integrerede kredsløb fra silicium, udskiftning af kredsløb lavet af diskrete, individuelle komponenter. Ligesom disse integrerede kredsløb var primitive sammenlignet med mulighederne i nutidens elektronik, vores enheder har en enkel, men integreret tredimensionel arkitektur af elektriske ledere og dielektriske stoffer, og demonstrere elementerne i programmerbar rekonfiguration, at skabe store og reversible formændringer."

Det rekonfigurerbare elastomerark består af flere lag. Carbon nanorør-baserede elektroder af forskellige former er inkorporeret mellem hvert lag. Når en spænding påføres disse elektroder, der skabes et rumligt varierende elektrisk felt inde i elastomerpladen, der producerer ujævne ændringer i materialets geometri, tillader det at forvandle sig til en kontrollerbar tredimensionel form.

Forskellige sæt elektroder kan tændes uafhængigt, muliggør forskellige former baseret på hvilke sæt elektroder der er tændt, og hvilke der er slukket.

"Ud over at være rekonfigurerbar og reversibel, disse form-morphing-aktiveringer har en krafttæthed svarende til den for naturlige muskler, " sagde Ehsan Hajiesmaili, første forfatter af papiret og kandidatstuderende ved SEAS. "Denne funktionalitet kan ændre den måde, mekaniske enheder fungerer på. Der er eksempler på nuværende enheder, der kunne gøre brug af mere sofistikerede deformationer for at fungere mere effektivt, såsom optiske spejle og linser. Vigtigere, denne aktiveringsmetode åbner døren til nye enheder, der anses for at være for komplicerede at forfølge på grund af de komplekse deformationer, der kræves, såsom en form-morphing bæreflade."

I denne forskning, holdet forudsagde også aktiveringsformerne, givet udformningen af ​​elektrodearrangementet og påført spænding. Næste, forskerne sigter mod at tackle det omvendte problem:givet en ønsket aktiveringsform, hvad er designet af elektroderne og den nødvendige spænding, der vil forårsage det?