Kæmpe flexoelektricitetsgennembrud i bløde elastomerer baner vej for forbedrede robotter og selvdrevne pacemakere

Forskere har demonstreret "gigantisk flexoelektricitet" i bløde elastomerer, der kan forbedre robottens bevægelsesområde og gøre selvdrevne pacemakere til en reel mulighed. I et papir offentliggjort i denne måned i Proceedings fra National Academy of Sciences, forskere fra University of Houston og Air Force Research Laboratory forklarer, hvordan man konstruerer tilsyneladende almindelige stoffer som silikonegummi til et elektrisk kraftcenter.

Hvad har følgende til fælles:Et selvdrevet implanteret medicinsk udstyr, en blød menneskelignende robot og hvordan hører vi lyd? Svaret på, hvorfor disse to forskellige teknologier og biologiske fænomener ligner hinanden, ligger i, hvordan de materialer, de er lavet af, kan ændre sig markant i størrelse og form - eller deformeres - som et gummibånd, når der sendes et elektrisk signal.

Nogle materialer i naturen kan udføre denne funktion, fungerer som en energiomformer, der deformeres, når et elektrisk signal sendes igennem, eller leverer elektricitet, når det manipuleres. Dette kaldes piezoelektricitet og er nyttigt til at skabe sensorer og laserelektronik, blandt flere andre slutanvendelser. Imidlertid, disse naturligt forekommende materialer er sjældne og består af stive krystallinske strukturer, der ofte er giftige, tre tydelige ulemper for menneskelige anvendelser.

Menneskeskabte polymerer tilbyder trin til at lindre disse smertepunkter ved at eliminere materialeknaphed og skabe bløde polymerer, der er i stand til at bøje og strække, kendt som bløde elastomerer, men tidligere manglede disse bløde elastomerer betydelige piezoelektriske egenskaber.

I et papir offentliggjort i denne måned i Procedurer fra National Academy of Sciences, Kosar Mozaffari, kandidatstuderende ved Cullen College of Engineering ved University of Houston; Pradeep Sharma, M.D. Anderson Chair Professor &Department Chair of Mechanical Engineering ved University of Houston og Matthew Grasinger, LUCI postdoc ved Air Force Research Laboratory, tilbyde en løsning.

"Denne teori konstruerer en forbindelse mellem elektricitet og mekanisk bevægelse i bløde gummilignende materialer, "sagde Sharma." Mens nogle polymerer er svagt piezoelektriske, der er ingen virkelig blød gummilignende materialer, der er piezoelektriske."

Udtrykket for disse multifunktionelle bløde elastomerer med øget kapacitet er "gigantisk flexoelektricitet." Med andre ord, disse videnskabsmænd demonstrerer, hvordan man kan øge den flexoelektriske ydeevne i bløde materialer.

"Flexoelektricitet i de fleste bløde gummimaterialer er ret svag, "sagde Mozaffari, "men ved at omarrangere kæderne i enhedsceller på et molekylært niveau, vores teori viser, at bløde elastomerer kan opnå en større flexoelektricitet på næsten 10 gange den konventionelle mængde."

De potentielle anvendelser er omfattende. Menneskelignende robotter lavet med bløde elastomerer, der indeholder øgede flexoelektriske egenskaber, ville være i stand til et større bevægelsesområde til at udføre fysiske opgaver. Pacemakere implanteret i menneskers hjerter og ved hjælp af lithium-batterier kunne i stedet være selvforsynende, da naturlig bevægelse genererer elektrisk strøm.

Mekanikken i bløde elastomerer, der genererer og bliver manipuleret af elektriske signaler, replikerer en lignende funktion observeret i menneskelige ører. Lyde rammer trommehinden, som derefter vibrerer og sender elektriske signaler til hjernen, som fortolker dem. I dette tilfælde, bevægelse kan manipulere bløde elastomerer og generere elektricitet til at drive en enhed på egen hånd. Denne proces med selvgenererende kraft ved bevægelse fremstår som et trin op fra et typisk batteri.

Fordelene ved denne nye teori rækker ud over netop det. I processen med forskning, evnen til at designe en enhedscelle, der er stretch -invariant - eller forbliver uændret under uønsket stretch -transformation - dukkede op.

"For nogle applikationer kræver vi, at visse mængder elektricitet genereres uanset strækningsdeformationen, hvorimod vi med andre applikationer ønsker så meget elproduktion som muligt, og vi har designet til begge disse sager." sagde Mozaffari.

"I vores forskning, vi opdagede en metode til at gøre en enhedscellestrækning invariant. Den afstembare karakter af den flexoelektriske retning kan være nyttig til at producere bløde robotter og bløde sensorer."

Med andre ord, mængden af ​​elektrisk strøm, der genereres fra forskellige fysiske stimuleringer, kan styres, så enheder udfører rettede handlinger. Dette kan moderere funktionen af ​​elektroniske enheder, der er selvforsynende.

Næste trin inkluderer at teste denne teori i et laboratorium ved hjælp af potentielle applikationer. Derudover indsatsen for at forbedre den flexoelektriske effekt i bløde elastomerer vil være fokus for yderligere undersøgelse.