211service.com
Bevægelige papirdele til robotter
Forskere ved Inha University i Sydkorea har påvist, at cellulose, hovedingrediensen i papir, kan bøjes som reaktion på elektricitet. Den behandlede cellulose er let, billig og har lave strømkrav sammenlignet med lignende elektrisk aktive materialer.
Denne tynde film af guldbelagt cellulose klapper som guldsmedevinger som reaktion på en elektrisk strøm. Materialet, kaldet elektroaktivt papir, kan tjene som vinger til små flyvende robotter. (Med tilladelse fra Zoubeida Ounaies, Texas A&M University.)
De koreanske forskere arbejder nu sammen med NASA om at udvikle trådløst drevne flyvende køretøjer på størrelse med insekter med flagrende papirvinger. Sådanne køretøjer kan flyve ind i områder, der er usikre for mennesker, og teste for farlige gasser - eller undersøge Mars' overflade fra luften.
[Klik her for billeder af dette bevægelige papir.]
Forskerne, anført af Jaehwan Kim , lektor ved universitetet, fremstillede den elektrisk aktive cellulose ved at opløse papirmasse, forme den til ark og belægge den med et lag guld som en elektrode. Nogle områder af cellulosefilmen er meget ordnet, mens cellulosetrådene i andre områder er sammenfiltrede som spaghetti. Bevægelsen af ioner gennem papiret - og bevægelsen af selve cellulosetrådene, som har negative og positivt ladede ender - får papiret til at bøje som reaktion på en elektrisk strøm. Bøjningen er drevet af de ordnede områder, men fri plads i uordnede områder tillader ioner at flyde mere frit og øger papirets evne til at deformere.
Materialer, der bevæger sig som reaktion på elektrisk strøm, kaldes piezoelektrik. Kims cellulose er en af en ny klasse af disse materialer, kaldet elektroaktive polymerer, der har skabt begejstring i det videnskabelige samfund for deres potentielle anvendelser på mange områder: kunstige muskler, kemiske sensorer, visuelle skærme, de bevægelige dele af robotter og batterier.
Værdien af elektrisk aktivt papir er, at det er let og har en høj afbøjning [bevægelse] ved lav spænding sammenlignet med traditionelle elektroaktive polymerer, siger Sang Choi, seniorforsker ved NASA Langley Research Center. Når en lille spænding påføres Kims papir, kan det bevæge sig en forholdsvis stor afstand; for eksempel i eksperimenter blev spidsen af en 30 millimeter lang strimmel elektroaktivt papir forskudt 4,2 millimeter. Faktisk er styrken af det elektriske felt, der kræves for at flytte spidsen af papiret til dets maksimale forskydning, en til to størrelsesordener mindre, end det kræves af andre elektroaktive polymerer. Og papiret kan ændre form hurtigt og bevæge sig frem og tilbage så hurtigt som én gang hvert 0,06 sekund.
NASAs Choi er interesseret i Kims materiale, fordi det sammenlignet med konventionel piezoelektrik og andre elektroaktive polymerer er meget let og kræver meget lidt strøm. Sammen designer Choi og Kim et lille flyvende køretøj med cellulosevinger drevet af omgivende mikrobølger. Choi siger, at NASA forventer, at sådanne robotter spiller en vigtig rolle i deres langsigtede udforskningsmissioner. For eksempel kan små robotter med bevægelige dele lavet af papir eller andre materialer flyve lavt over Mars-overfladen for at overvåge dens topologi. Alligevel er det ikke klart, at cellulose kan modstå de ekstreme forhold i det ydre rum.
Cellulosefilmene, som Kim har lavet indtil videre, kan ikke udøve meget kraft – et must til robotapplikationer. Så han arbejder med Zoubeida Ounaies , assisterende professor i rumfartsteknik ved Texas A&M University, for at styrke denne smarte cellulose. Ounaies tilføjer kulstof nanorør, værdsat for deres høje elektriske ledningsevne og styrke, til opløst cellulose. Blandingen er stadig under undersøgelse, men tanken er, at film af cellulosestrenge, der er tæt sammenfiltret med kulstofnanorør, kan udøve mere kraft end rene cellulosefilm.
Cellulose er billig og let tilgængelig - Kims film kan endda laves ved at behandle kommercielt tilgængeligt papir. Til sammenligning koster den mest almindeligt anvendte elektrisk aktive polymer, polyanilin, $68 per gram, siger Victoria Finkenstadt , en forskningskemiker ved USDA Agricultural Research Service. Selvom robustheden og styrken af cellulose endnu ikke er blevet demonstreret, kan det også vise sig at være et godt materiale til de kunstige muskler, der bruges i robotteknologi, siger Finkenstadt.
Disse materialer kan give os [robot] bevægelse, vi aldrig har drømt om, siger Kwang J. Kim , lektor i maskinteknik ved University of Nevada i Reno (som ikke var involveret i celluloseforskningen). Men Kim siger, at området for elektrisk aktive polymerer stadig er ungt, og at forskere stadig udvikler applikationer. Om et par år mere vil der dukke interessante teknologier ud, forudser han.