Ученые используют закрытую биполярную ячейку для беспроводного управления чистыми углеродными волокнами, что открывает путь к созданию более простых микроустройств.
В лабораториях по всему миру ученые давно мечтали о создании машин настолько крошечных, чтобы они могли захватывать, сгибать и перемещать объекты тоньше волоса. Однако точное и обратимое управление столь миниатюрными объектами всегда представляло собой серьезную проблему.
Теперь группа исследователей из Польской академии наук показала, что даже обычное углеродное волокно, толщиной не более человеческого волоса, может сгибаться и выпрямляться по команде, без какой-либо прямой проводки.
Их экспериментальное исследование демонстрирует новый способ превращения обычных углеродных волокон в миниатюрные актуаторы. Это достижение может изменить микромеханику и мягкую робототехнику, предложив более простой путь к движению на микроскопическом уровне.
«Мы ожидаем, что эти результаты обогатят инструментарий для исследований в области мягкой робототехники и микромеханики», — отмечают авторы исследования.
Давняя проблема интеллектуальных волокон
В течение многих лет исследователи пытались создать «умные» волокна — материалы, которые меняют форму под воздействием электричества, света, тепла или изменений кислотности. «Умные» полимеры уже существуют и могут реагировать на такие стимулы, изменяя свой цвет или форму, а затем возвращаясь в исходное состояние.
Однако, когда дело доходит до микроволокон и нановолокон, ситуация усложняется. Многие системы требуют специальных покрытий, структурных модификаций или сложных технологических процессов для придания волокнам адаптивных свойств. Это увеличивает стоимость, сложность и ограничивает практическое применение.
Основная проблема заключалась в точном и обратимом контроле. Учёным иногда удавалось заставить волокно двигаться, но не контролируемым и воспроизводимым образом. Именно здесь авторы исследования применили другой подход.
Вместо того чтобы сильно модифицировать волокна, они использовали непокрытые и неизмененные углеродные волокна и сосредоточились на том, как электричество взаимодействует с ними.
Углеродные волокна уже высоко ценятся в технике. Они легче стали или алюминия, но при этом чрезвычайно прочны. Кроме того, они проводят электричество, что делает их идеальными для электрохимических экспериментов.
Исследователи поместили одно микроволокно из углеродного волокна внутрь специальной электрохимической установки, называемой биполярной ячейкой. Такие системы используются с 1970-х годов в биосенсорах, реакторах и батареях. Вот как работала их установка простыми словами:
Электричество позволило согнуть углеродное волокно.
Волокно помещали между двумя отсеками, заполненными жидкостью, содержащей ионы — заряженные частицы, такие как литий (Li⁺) и перхлорат (ClO₄⁻). Раствор также содержал окислительно-восстановительную пару: бензохинон и гидрохинон, которые способствуют протеканию окислительно-восстановительных реакций.
Когда к клетке было приложено внешнее напряжение, произошло нечто удивительное. Команда сравнила два типа волокон: гладкие и шероховатые от природы. Шероховатые волокна имели на своей поверхности крошечные бороздки и неравномерные поры. В этих шероховатых волокнах распределение пор было несимметричным. Эта естественная асимметрия оказалась решающей.
При подаче напряжения ионы из жидкости неравномерно проникали в поверхность волокна. С одной стороны волокна происходило окисление, с другой — восстановление. Поскольку проникновение ионов было сильнее с одной стороны, чем с другой, волокно испытывало неравномерное натяжение.
Это приводило к изгибу волокна. При изменении направления или снятии напряжения ионы покидали поверхность волокна. Натяжение исчезало, и волокно снова выпрямлялось. Короче говоря, ионы, перемещающиеся внутрь и наружу углеродного волокна, вызывали его изгиб и распрямление.
Движение было полностью обратимым и зависело от приложенного напряжения и длины волокна.
Важно отметить, что волокно не было напрямую соединено с проводом. Закрытая биполярная ячейка позволяла одновременно окислять один конец и восстанавливать другой, обеспечивая беспроводное управление.
«Нам успешно удалось использовать закрытую биполярную ячейку для беспроводного электрохимического управления свободно стоящим углеродным волокном», — сказал Войцех Ногала, один из авторов исследования.
Исследователи также показали, что импульсы напряжения можно подавать циклически. Тщательно контролируя длительность импульса и уровень напряжения, волокно могло многократно перемещаться вверх и вниз — подобно микроскопическому пинцету. Это демонстрирует, что система представляет собой не просто одноразовый эффект, а контролируемый механический отклик.
Перспективное подтверждение концепции.
Это исследование пока находится на стадии проверки концепции, но его последствия весьма значительны. Если простые, предварительно изготовленные асимметричные углеродные волокна могут выступать в качестве крошечных актуаторов, инженерам, возможно, не понадобятся сложные покрытия или перепроектирование для создания микромасштабных устройств.
Такие волокна можно использовать в синтетических мышцах для микророботов, в микроэлектромеханических системах или в устройствах, которым необходимо перемещать или захватывать объекты в чрезвычайно малых масштабах. Сила движения зависит от напряжения и длины волокна, что означает возможность настройки системы.
В дальнейшем команда планирует исследовать актуаторы на основе предварительно изготовленных асимметричных углеродных волокон и оптимизировать их характеристики.
В случае успеха этот простой механизм, приводимый в движение потоками ионов, может помочь в создании следующего поколения мягких роботизированных систем и микроскопических инструментов, приближая нас к машинам, работающим в масштабе клеток и крошечных структур.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
