ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ГИДРОГЕЛЯ

Предложение относится к области электроактивных изделий из высокомолекулярных соединений, которые демонстрируют выраженный эффект преобразования электрической энергии в механическую. Электроуправляемый элемент исполнительного устройства может быть использован в робототехнических, биомедицинских системах и в системах автоматизации. Развитие автоматики, робототехники, в том числе в мини- микро- и наноисполнении, настоятельно требует создания исполнительных устройств соответствующего уровня.
К настоящему времени отработаны и внедрены в производство электромеханические исполнительные устройства, осуществляющие как вращательное, так и поступательное движение. Как правило, они состоят из электродвигателя (асинхронного, переменного и постоянного токов), статор которого расположен по окружности или развернут в линию. Соответственно якорь в первом случае осуществляет вращательное движение (электродвигатели вращения), во втором - линейное перемещение относительно статора (линейные электродвигатели). Достаточно часто применяются пневматические и гидравлические исполнительные устройства поршневого типа для линейного движения, аксиально-поршневые или радиально-поршневые машины, турбины различных типов для вращательного движения, работающие от аккумулятора давления или (через ресивер) от компрессорных агрегатов, приводимых в движение поршневыми, турбинными или электрическими машинами различных типов. Все указанные выше устройства реализуют тяговые усилия (при поступательном движении) в достаточно широком диапазоне от 10 до 1000000 н. Одним из перспективных и приоритетных направлений развития современной робототехники является создание роботов с геометрическими размерами мини-, микро- и наноуровней. Разработка и производство таких роботов сопряжены с рядом трудностей. К их числу относится ограниченный сортимент выпускаемых исполнительных устройств в указанном диапазоне геометрических размеров и технических характеристик. Помимо организационных и производственных аспектов эта проблема имеет определенные физические и химические ограничения. С уменьшением геометрических размеров энергетическая эффективность исполнительных устройств в традиционном исполнении неизбежно падает. Это связано с тем, что для низкоразмерных систем все большее значение приобретают силы молекулярного сцепления, и при некотором уровне размеров устройств они превышают силы трения, а при дальнейшем уменьшении размеров силы молекулярного сцепления начинают разрушать материал (металл). Отметим также, что с уменьшением геометрических размеров исполнительных устройств в традиционном исполнении ряд физических ограничений преодолеть невозможно. Например, для того чтобы получить необходимую электродвижущую силу обмотки электродвигателей, реле и др. приходится выполнять все более и более тонким проводом. Однако при этом резко возрастает его омическое сопротивление и при дальнейшем уменьшении размеров это приводит к плавлению провода. К тому же для изготовления механических деталей микро- и наноразмеров практически отсутствует станочный парк. Поэтому при создании исполнительных устройств в микро- и наноисполнении приходится прибегать к нетрадиционным методам их синтеза за счет отказа от традиционного построения исполнительных устройств и перехода к исполнительным устройствам на иных принципах, в том числе с помощью использования полимерных материалов, способных изменять свою форму, геометрические размеры, физико-механические характеристики под внешним воздействием («искусственные мышцы»). Отметим, что ввиду относительной новизны исследований в данном направлении, терминология «искусственных мышц» еще не сложилась. В ГОСТе исполнительные устройства на электроактивных полимерах не прописаны, соответствующая терминология отсутствует [ГОСТ 14691-69. Устройства исполнительные для систем автоматического регулирования. Термины]. К числу новых материалов для создания исполнительных устройств относятся полимерные гидрогели. Работы в области создания полимерных гидрогелей с выраженным электрохемомеханическим откликом являются перспективным бионическим направлением для поисковых исследований в области «мягкой» органической электроники, разработки компактных и миниатюрных устройств захвата и позиционирования, андроидной техники, разного рода интеллектуальных материалов биомедицинского назначения (например, для экзоскелетов, дисплеев Брайля), совмещенных сенсоров-актюаторов и т.д. По таким параметрам, как энергоэффективность и массогабариты, искусственные мускулы и исполнительные устройства на основе полимерных гидрогелевых материалов приближаются к человеческим мышцам. В настоящее время известны лишь отдельные устройства, использующие электроуправляемые гидрогели данного типа.
В основе идеи применения гидрогелей в качестве активных элементов исполнительных устройств лежит их способность сильно менять степень набухания при малых изменениях внешних условий (электрическое поле, pH среды, ионная сила, световое и тепловое воздействие). Деформация (сжатие, растяжение, изгиб) полиэлектролитного гидрогеля в электрическом поле имеет электрокинетическую и электроосмотическую природу вследствие выраженного изменения его степени набухания при смещении ионного равновесия в объеме гидрогеля, транспорта ионов через гидрогель и электрохимических реакций на электродах.
Несмотря на кажущуюся простоту получения полимерных гидрогелей, исследователи сталкиваются с серьезным затруднением, которое связано с задачей интеграции электроуправляемого элемента на основе гидрогеля в механизм исполнительного устройства.
Основные трудности использования гидрогелей в исполнительных устройствах связаны: 1) с низкими физико-механическими характеристиками гидрогелей, 2) трудностью формообразования изделий из гидрогелей, 3) сложностью подачи электрического тока к гидрогелю (проблема электродов).
Известен подход к конструированию исполнительного устройства с электроуправляемым элементом на основе гидрогеля, в котором цилиндрический образец гидрогеля поджат пружиной между двумя плоскими торцами электродов [US 5,389,222, 14.02.1993, Shahinpoor]. Включение электрического поля вызывает сжатие гидрогелевого элемента; при выключенном поле гидрогель восстанавливает размер под действием пружины. В другом варианте указанного патента кольцеобразный гидрогель подпружинен и прикреплен к шпинделю. Подача переменного поля на двух противоположных сторонах от кольца вызывает попеременное сокращение и сжатие противоположных сторон кольца, благодаря чему происходит вращение шпинделя то в одну, то в другую сторону. Существенным недостатком данной конструкции является то, что задача восстановления исходного размера электроуправляемого элемента на основе гидрогеля решается с помощью возвратной пружины, а также то, что в этом изобретении не решается проблема передачи усилия от гидрогеля в исполнительном устройстве.
Известен способ, в котором цилиндрический образец из гидрогеля используется в качестве электроуправляемого элемента при расположении электрода внутри самого геля [US 20070190150 A1, 16.08.2007, Ito и др]. Электродом является закрученная в спираль проволока, которая разжимается и сжимается внутри объема гидрогеля при изменении его степени набухания. При этом для активации используется электрохимически контролируемый процесс выделения водорода на электроде. С этой целью применяется специальный электродный материал, обладающий эффектом окклюзии. Недостатком данного подхода является дороговизна электрода, который предлагается изготавливать из палладия. Кроме того, в данном способе не предложено решения проблемы крепления гидрогеля в исполнительное устройство и передачи генерируемого усилия и перемещения.
Наиболее близким изобретением к заявляемому - прототипом - является система, состоящая из сферического образца гидрогеля, в котором размещаются электроды, обработанных плазмой, а сам гидрогель погружен в капсулу из эластомера [US 008088453 B1, 03.01.2012, Rasmussen]. Действие электрического поля вызывает объемную деформацию гидрогеля, которая проявляется в сплющивании шара. Деформация гидрогелевого шара преобразуется в движение за счет системы рычажков, которые прикреплены к эластичной сферической капсуле. Таким образом, изменение объема геля преобразуется в поступательное движение рычажков. Кроме описанного выше, автор предполагает использование разработанной системы в форме тора в качестве перистальтического клапана или насоса.
Недостатком данного решения является его избыточная сложность, связанная с необходимостью формирования эластомерного покрытия на поверхности гидрогелевого элемента и передачей усилия через это покрытие на систему рычагов. Другой недостаток заключается в том, что генерация силы и перемещения обеспечивается с использованием рычажной системы, что накладывает определенные ограничения, связанные с золотым правилом механики. Авторами не предусмотрено использование гидрогеля в качестве тягового элемента, который обеспечивает прямую передачу тягового усилия на исполнительное устройство. Существенным недостатком прототипа является сложность достижения заданного уровня скорости электромеханического отклика и перемещения без масштабирующих рычажных устройств.
Таким образом, анализ известных аналогов показал, что проблема создания электроуправляемых элементов исполнительных устройств для робототехники микро- и наноуровня на основе полимерных материалов, прежде всего гидрогелей, остается актуальной.
Задачей заявляемого предложения является создание исполнительного устройства, в котором электроуправляемый элемент выполнен целиком из набухающего гидрогеля, прикрепленного непосредственно к электродам, и который способен к электромеханическому отклику и перемещению без дополнительных принудительных рычажных устройств (как в устройстве-прототипе).
Указанная задача решается заявляемой полезной моделью - электроуправляемым элементом исполнительного устройства на основе полимерного гидрогеля.
Заявляемая полезная модель характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, которые одновременно являются и отличительными от устройства-прототипа:
1) для снижения контактных напряжений деформации, возникающих при креплении гидрогеля к электроду, элемент выполнен в виде вытянутого кольца 1 (см. фиг.), малые диаметры которого соответствуют диаметрам электродов 2, между которыми натянут гидрогель;
2) для снижения контактных электрических сопротивлений элемент выполнен в виде вытянутого кольца 1, натянутого на подвижные электроды 2, причем воздействие внешнего импульса тока, подводимого через электроды, вызывает изменение межосевого расстояния за счет сжатия кольца;
3) усилия при его срабатывании за счет сжатия кольца передаются подвижным электродам через гидрогель, между которыми он натянут;
4) постоянная времени его механического отклика при подаче электрического тока регулируется соответствующим выбором диаметра кольца гидрогеля;
5) в качестве внешнего воздействия, вызывающего сжатие кольца, может использоваться не электрический ток, а изменение рН среды, в которую он погружен;
6) структура и химический состав кольца на основе гидрогеля представляет собой двойную взаимопроникающую сетку, один из компонентов которой является сшитой полиакриловой кислотой, а второй - поливиниловым спиртом, при этом концентрация всех используемых для получения гидрогеля реагентов соответствует оптимальной с точки зрения достижения выраженного электромеханического отклика и приемлемого уровня механических свойств: кольцо готовится путем радикальной полимеризации 25%-го водного раствора акриловой кислоты с использованием метиленбисакриламида в качестве сшивателя и персульфата аммония в качестве инициатора в 10%-м водном растворе поливинилового спирта; указанная реакционная смесь впрыскивается в разъемную фторопластовую форму с высокой степенью чистоты поверхности и предварительно обезжиренную, термостатируется при 50°С в течение 30 мин., после чего полученное кольцо извлекается и погружается в раствор электролита (например, хлорида натрия, сульфата натрия и др.) до достижения равновесного набухания,
7) в качестве смеси для изготовления кольца можно использовать водный раствор поливинилового спирта (концентрация 10%) с метакриловой кислотой (концентрация 25%) с сшивателем метиленбисакриламидом и инициатором персульфатом аммония; указанная смесь заливается в разъемную фторопластовую форму с высокой степенью чистоты поверхности, термостатируется при 50°С в течение 30 мин., после чего полученное кольцо извлекается и погружается в раствор электролита (например, хлорида натрия, сульфата натрия и др.) до достижения равновесного набухания;
8) в качестве смеси для изготовления кольца можно использовать водный раствор поливинилового спирта (концентрация 10%) с акриламидметилпропансульфоновой кислотой (концентрация 25%) с сшивателем метиленбисакриламидом и инициатором персульфатом аммония; указанная смесь заливается в разъемную фторопластовую форму с высокой степенью чистоты поверхности, термостатируется при 50°С в течение 30 мин., после чего полученное кольцо извлекается и погружается в раствор электролита (например, хлорида натрия, сульфата натрия и др.) до достижения равновесного набухания.
Совокупность существенных признаков заявляемого устройства обеспечивает получение технического результата - создание электроуправляемого устройства, изготовленного целиком из специально подобранного полимерного гидрогеля, обеспечивающего необходимый уровень механических и электрофизических свойств, в оригинальной форме - в виде кольца. Кольцо конструктивно обеспечивает надежное крепление гидрогеля к электроду, передачу усилия и деформации от гидрогеля к исполнительному устройству с необходимым уровнем перемещения и скорости электромеханического отклика без использования масштабирующих вспомогательных (рычажных) элементов. Это позволяет снизить тепловыделение управляемого элемента и величину управляющего электрического потенциала. Кроме того, заявляемое устройство позволяет использовать способность заявляемого гидрогеля совершать механическую работу не только под действием электрического поля, но и при варьировании параметров внешней среды, таких как рН жидкости, в которую погружены управляемые элементы устройства, что экономит энергоресурс.
Пример конкретной реализации.
Использовали гидрогель на основе взаимопроникающей сетки поливинилового спирта и полиакриловой кислоты. 10%-й водный раствор поливинилового спирта с молекулярной массой 70000 смешивали с 25%-м раствором акриловой кислоты, метиленбисакриламидом (0.36%) и персульфатом аммония (0.001%) и заливали в замкнутую пресс-форму из фторопласта с помощью шприца. Формующая полость пресс-формы представляла собой вытянутое кольцо круглое в поперечном сечении с наружными габаритными размерами L×H=47×l3 мм (см. фиг.) и диаметром поперечного сечения 2 мм. Формующая полость предварительно была тщательно обезжирена. Сомкнутую пресс-форму, заполненную полимеризационной смесью, помещали в термостат при температуре 50°C и выдерживали в течение 30 мин. После этого форму разнимали, гидрогель в виде кольца извлекали из пресс-формы и погружали в 5%й водный раствор сульфата натрия на сутки. Равновесно набухшее кольцо имело степень набухания 3.5 г/г, модуль упругости 20 кПа, прочность на разрыв 70 кПа и относительное удлинение на разрыв 375%.
Оценка эффективности заявляемого электроуправляемого элемента исполнительного устройства на основе полимерного гидрогеля проводилась на предварительном макете исполнительного устройства. Равновесно набухшее кольцо было подвешено между двумя графитовыми стержнями диаметром 8 мм, один из которых закреплен жестко, а второй является подвижным. К подвижному стержню была приложена небольшая нагрузка (около 0.05 H), достаточная для того, чтобы исключить провисание кольца. К графитовым стержням был присоединен источник постоянного электрического напряжения. Напряжение вызывало сжатие кольца, которое проявлялось в уменьшении расстояния между графитовыми стержнями. Получено, что на вытянутом кольце из гидрогеля с размерами L×H=35×10 мм и диаметром сечения 1.8 мм можно получить максимальное перемещение до 7 мм (без использования масштабирующих рычажных устройств) при средней скорости перемещения 1-1.5 мм/с. Рабочее напряжение на устройстве менялось от 30 до 100 В, ток находился в диапазоне 9-12 мА.
Таким образом, электроуправляемый элемент исполнительного устройства на основе гидрогеля обеспечивает создание на его основе эффективных устройств робототехники и автоматики.