Onderzoekers hebben "gigantische flexo-elektriciteit" aangetoond in zachte elastomeren die het bewegingsbereik van de robot zouden kunnen verbeteren en zelfaangedreven pacemakers een reële mogelijkheid kunnen maken. In een artikel dat deze maand in de Proceedings van de National Academy of Sciences, wetenschappers van de Universiteit van Houston en het Air Force Research Laboratory leggen uit hoe ogenschijnlijk gewone stoffen zoals siliconenrubber in een elektrische krachtpatser kunnen worden omgezet.

Wat hebben de volgende gemeen:een zelfaangedreven geïmplanteerd medisch hulpmiddel, een zachte mensachtige robot en hoe we geluid horen? Het antwoord op de vraag waarom deze twee ongelijksoortige technologieën en biologische fenomenen vergelijkbaar zijn, ligt in hoe de materialen waarvan ze zijn gemaakt aanzienlijk kunnen veranderen in grootte en vorm - of vervormen - zoals een rubberen band, wanneer een elektrisch signaal wordt verzonden.

Sommige materialen in de natuur kunnen deze functie vervullen, fungeert als een energieomzetter die vervormt wanneer een elektrisch signaal wordt verzonden of elektriciteit levert wanneer deze wordt gemanipuleerd. Dit wordt piëzo-elektriciteit genoemd en is nuttig bij het maken van sensoren en laserelektronica, onder verschillende andere eindgebruiken. Echter, deze natuurlijk voorkomende materialen zijn zeldzaam en bestaan ​​uit stijve kristallijne structuren die vaak giftig zijn, drie duidelijke nadelen voor menselijke toepassingen.

Door de mens gemaakte polymeren bieden stappen om deze pijnpunten te verlichten door materiaalschaarste te elimineren en zachte polymeren te creëren die kunnen buigen en strekken, bekend als zachte elastomeren, maar voorheen hadden die zachte elastomeren geen significante piëzo-elektrische eigenschappen.

In een artikel dat deze maand in de Proceedings van de National Academy of Sciences, Kosar Mozaffari, afgestudeerde student aan het Cullen College of Engineering aan de Universiteit van Houston; Pradeep Sharma, M.D. Anderson Chair Professor &Department Chair of Mechanical Engineering aan de Universiteit van Houston en Matthew Grasinger, LUCI Postdoctoraal onderzoeker bij het Air Force Research Laboratory, een oplossing bieden.

"Deze theorie legt een verband tussen elektriciteit en mechanische beweging in zachte rubberachtige materialen, " zei Sharma. "Hoewel sommige polymeren zwak piëzo-elektrisch zijn, er zijn geen echt zachte rubberachtige materialen die piëzo-elektrisch zijn."

De term voor deze multifunctionele zachte elastomeren met verhoogd vermogen is "gigantische flexo-elektriciteit". Met andere woorden, deze wetenschappers demonstreren hoe de flexo-elektrische prestaties in zachte materialen kunnen worden verbeterd.

"Flexo-elektriciteit in de meeste zachte rubbermaterialen is vrij zwak, " zei Mozaffari, "maar door de ketens in eenheidscellen op moleculair niveau te herschikken, onze theorie laat zien dat zachte elastomeren een grotere flexo-elektriciteit kunnen bereiken van bijna 10 keer de conventionele hoeveelheid."

De mogelijke toepassingen zijn diepgaand. Mensachtige robots gemaakt met zachte elastomeren die verhoogde flexo-elektrische eigenschappen bevatten, zouden in staat zijn tot een groter bewegingsbereik om fysieke taken uit te voeren. Pacemakers die in menselijke harten zijn geïmplanteerd en die lithiumbatterijen gebruiken, kunnen in plaats daarvan zelfvoorzienend zijn omdat natuurlijke beweging elektrische stroom genereert.

De mechanica van zachte elastomeren die elektrische signalen genereren en manipuleren, bootsen een soortgelijke functie na die wordt waargenomen in menselijke oren. Geluiden raken het trommelvlies dat dan trilt en elektrische signalen naar de hersenen stuurt, die ze interpreteert. In dit geval, beweging kan zachte elastomeren manipuleren en elektriciteit opwekken om zelfstandig een apparaat van stroom te voorzien. Dit proces van zelfopwekking van energie door beweging verschijnt als een opstapje van een typische batterij.

De voordelen van deze nieuwe theorie gaan verder dan alleen dat. In het proces van onderzoek, de mogelijkheid om een ​​eenheidscel te ontwerpen die rekinvariant is - of onveranderd blijft onder ongewenste rektransformatie - kwam naar voren.

"Voor sommige toepassingen vereisen we dat bepaalde hoeveelheden elektriciteit worden opgewekt, ongeacht de rekvervorming, terwijl we bij andere toepassingen zoveel mogelijk elektriciteitsopwekking wensen, en we hebben voor beide gevallen ontworpen", aldus Mozaffari.

"Bij ons onderzoek we hebben een methode ontdekt om één eenheidscel invariant te maken. De afstembare aard van de flexo-elektrische richting kan nuttig zijn voor het produceren van zachte robots en zachte sensoren."

Met andere woorden, de hoeveelheid elektrisch vermogen die wordt gegenereerd door verschillende fysieke stimulatie kan worden gecontroleerd, zodat apparaten gerichte acties uitvoeren. Dit kan het functioneren van elektronische apparaten die zelfvoorzienend zijn, matigen.

De volgende stappen omvatten het testen van deze theorie in een laboratorium met behulp van mogelijke toepassingen. Aanvullend, inspanningen om het flexo-elektrisch effect in zachte elastomeren te verbeteren zullen de focus zijn van verder onderzoek.