Przenoszenie części papierowych do robotów

Naukowcy z Uniwersytetu Inha w Korei Południowej wykazali, że celuloza, główny składnik papieru, może zginać się pod wpływem elektryczności. Obrobiona celuloza jest lekka, niedroga i ma niskie zapotrzebowanie na energię w porównaniu z podobnymi elektrycznie aktywnymi materiałami.

Ta cienka warstwa pokrytej złotem celulozy trzepocze jak skrzydła ważki w odpowiedzi na prąd elektryczny. Materiał, zwany papierem elektroaktywnym, może służyć jako skrzydła dla małych latających robotów. (Dzięki uprzejmości Zoubeida Ounaies, Texas A&M University.)

Koreańscy naukowcy współpracują obecnie z NASA nad opracowaniem bezprzewodowo napędzanych pojazdów latających wielkości owadów z trzepoczącymi papierowymi skrzydłami. Takie pojazdy mogą latać w obszary niebezpieczne dla ludzi i badać niebezpieczne gazy lub badać powierzchnię Marsa z powietrza.

[Kliknij tutaj, aby zobaczyć obrazy tego ruchomego papieru.]

Naukowcy, kierowani przez Jaehwan Kim , profesor nadzwyczajny na uniwersytecie, wytworzył elektrycznie aktywną celulozę, rozpuszczając miazgę papierową, formując ją w arkusze i powlekając warstwą złota jako elektrody. Niektóre obszary folii celulozowej są bardzo uporządkowane, podczas gdy w innych pasma celulozy są splątane jak spaghetti. Ruch jonów przez papier – a także ruch samych pasm celulozy, które mają końce ujemne i dodatnio naładowane – powoduje zginanie się papieru w odpowiedzi na prąd elektryczny. Gięcie jest napędzane przez uporządkowane obszary, ale wolna przestrzeń w nieuporządkowanych obszarach pozwala jonom na swobodniejszy przepływ i zwiększa zdolność papieru do deformacji.

Materiały poruszające się w odpowiedzi na prąd elektryczny nazywane są piezoelektrykami. Celuloza Kima należy do nowej klasy tych materiałów, zwanych polimerami elektroaktywnymi, które wzbudziły zainteresowanie w środowisku naukowym ze względu na ich potencjalne zastosowania w wielu dziedzinach: sztuczne mięśnie, czujniki chemiczne, wyświetlacze wizualne, ruchome części robotów i baterie.

Wartość elektrycznie aktywnego papieru polega na tym, że jest lekki i ma duże ugięcie [ruch] przy niskim napięciu w porównaniu z tradycyjnymi polimerami elektroaktywnymi, mówi Sang Choi, starszy naukowiec z NASA Langley Research Center. Kiedy małe napięcie zostanie przyłożone do papieru Kima, może przemieścić się na stosunkowo dużą odległość; na przykład w eksperymentach końcówka 30-milimetrowego paska papieru elektroaktywnego została przesunięta o 4,2 mm. Rzeczywiście, siła pola elektrycznego wymagana do przemieszczenia końcówki papieru do jej maksymalnego przemieszczenia jest o jeden do dwóch rzędów wielkości mniejsza niż w przypadku innych polimerów elektroaktywnych. A papier może szybko zmieniać kształt, poruszając się tam i z powrotem tak szybko, jak raz na 0,06 sekundy.

Choi z NASA jest zainteresowany materiałem Kima, ponieważ w porównaniu z konwencjonalnymi piezoelektrykami i innymi elektroaktywnymi polimerami jest bardzo lekki i wymaga bardzo mało energii. Choi i Kim wspólnie projektują mały latający pojazd ze skrzydłami z celulozy zasilanymi mikrofalami z otoczenia. Choi mówi, że NASA spodziewa się, że takie roboty będą odgrywać ważną rolę w jej długoterminowych misjach eksploracyjnych. Na przykład małe roboty z ruchomymi częściami wykonanymi z papieru lub innych materiałów mogą latać nisko nad powierzchnią Marsa, aby monitorować jej topologię. Nie jest jednak jasne, czy celuloza wytrzyma ekstremalne warunki panujące w kosmosie.

Folie celulozowe, które do tej pory wyprodukował Kim, nie mogą wywierać dużej siły – jest to niezbędne w zastosowaniach robotycznych. Więc on pracuje z Zoubeida Ounaies , adiunkta inżynierii kosmicznej na Texas A&M University, aby wzmocnić tę inteligentną celulozę. Ounaies dodaje nanorurki węglowe, cenione za wysoką przewodność elektryczną i wytrzymałość, do rozpuszczonej celulozy. Mieszanina jest wciąż badana, ale pomysł polega na tym, że folie z pasm celulozy, ściśle splątane z nanorurkami węglowymi, mogą wywierać większą siłę niż folie z czystej celulozy.

Celuloza jest tania i łatwo dostępna – film Kima można nawet zrobić, traktując dostępny na rynku papier. Dla porównania, najpowszechniej stosowany polimer aktywny elektrycznie, polianilina, kosztuje 68 USD za gram, mówi Wiktoria Finkenstadt , chemik badawczy w USDA Agricultural Research Service. Chociaż solidność i wytrzymałość celulozy nie zostały jeszcze wykazane, może ona również okazać się dobrym materiałem na sztuczne mięśnie wykorzystywane w robotyce, mówi Finkenstadt.

Te materiały mogą dać nam [robotowi] lokomocję, o której nigdy nie śniliśmy, mówi Kwang J. Kim , profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Nevada w Reno (nie zajmował się badaniami nad celulozą). Kim twierdzi jednak, że dziedzina polimerów aktywnych elektrycznie jest wciąż młoda, a naukowcy wciąż opracowują zastosowania. Przewiduje, że za kilka lat pojawią się ciekawe technologie.

ukryć