Мягкие роботы получили полностью мягкий электрический насос

Швейцарские и японские инженеры создали полностью мягкий насос для перекачивания диэлектрической жидкости. Он работает благодаря парам электродов, между которыми возникает электрическое поле. Электроды ионизируют некоторые частицы жидкости и ускоряют их, благодаря чему ускорение получает весь поток, рассказывают авторы статьи в Nature.

Практически все существующие серийные роботы и их прототипы выполнены из жестких компонентов. Даже если внешний корпус робота выполнен из мягкого материала, внутри него все равно обычно расположены жесткие платы управления, аккумуляторы и электромоторы. Такое устройство не всегда можно применять в контакте с человеком, а еще это делает конструкцию неустойчивой к сильной деформации. Существует также область робототехники, в которой исследователи занимаются разработкой полностью мягких аналогов необходимых компонентов. К примеру, уже разработаны мягкие микрофлюидные логические схемы, клапаны и даже кольцевой генератор.

Инженеры под руководством Герберта Ши (Herbert Shea) из Федеральной политехнической школы Лозанны создали для мягких роботов насос, в котором не используются жесткие компоненты. Он состоит из двух слоев, между которыми по центру находится канал для жидкости. По бокам от канала располагаются два электрода, выполненных в виде гребенки, причем выступы расположены со смещением, чтобы выступы одного электрода расположены между выступами другого электрода.

Насос работает благодаря тому, что при приложении достаточно большого напряжения напряженность электрического поля превышает определенный порог и начинается автоэлектронная эмиссия — испускание электронов из электродов. Эти электроны ионизируют некоторые частицы жидкости. Благодаря тому, что ионы получают отрицательный заряд, они начинают двигаться под действием электрического поля в сторону анода. Эти двигающиеся ионы действуют на соседние частицы и в итоге разгоняют весь поток.

Инженеры создали две разные конфигурации насоса из разных материалов, хотя в качестве корпуса в обоих вариантах используется прозрачный полидиметилсилоксан. Различия между вариантами заключается прежде всего в материале электродов: композит с углеродными или серебряными частицами. Кроме того, в прототипах насосов использовались разные диэлектрические жидкости.

Несмотря на то, что конструкция у обоих вариантов одинакова, различие в материалах обуславливает некоторую разницу в свойствах, причем как количественную, так и качественную. Например, углеродная модификация позволяет выбирать направление движения жидкости только в начале работы, тогда как насос с серебряными электродами позволяет переключаться между двумя направлениями. Кроме того, серебряные электроды имеют гораздо больший ресурс работы (множество часов против 15 минут), а также создают большее давление (14 килопаскалей против 7), но при этом имеют большее минимальное рабочее напряжение (5 киловольт против 2,5) и большее время отклика.

Авторы создали на основе насосов несколько прототипов. Один из них демонстрирует, как происходит перекачка жидкости из одного резервуара в другой. Еще один прототип состоит из емкости с жидкостью и «пальца» из нескольких емкостей. Перекачивая жидкость из большого резервуара в малые насос заставляет всю конструкцию изгибаться. Наконец, инженеры создали обогреваемую перчатку, которая перекачивает жидкость от нагревателя на запястье к кисти.