Témata
Reklama

Umělé svaly

Do skupiny elektrostatických aktuátorů lze zařadit několik konkrétních druhů aktuátorů. Vedle již zmíněných aktuátorů s dielektrickými elastomery, pojednaných ve třetí části našeho seriálu, se jedná o elektrostrikční aktuátory, feroelektrické aktuátory a aktuátory tvořené tekutými krystaly.

Elektrostrikční aktuátory

Jak již samotný název napovídá, elektrostrikční aktuátory a umělé svaly založené na tomto principu fungují na základě opačného piezoelektrického jevu. Piezoelektrický jev nastává při stlačení některých druhů krystalických látek, kdy vlivem stlačení dochází k deformaci krystalické mřížky, respektive ke změně polohy atomů nebo molekul v krystalické mřížce. Změna polohy má za následek hromadění elektrického náboje v různých místech krystalu, čímž vzniká elektrické napětí vlivem elektrostatického pole [1, 2].

Na základě výše popsaného lze tvrdit, že elektrostrikční umělé svaly pracují na velmi podobném principu jako svaly s dielektrickými elastomery.

Mezi materiály vyznačujícími se piezoelektrickým jevem patří například monokrystalický křemen neboli křišťál (chemická značka SiO2) [3]. Lze rovněž využít moderní polymery na bázi PVDF (polyvinyldienfluorid nebo polyvinyldiendifluorid). Jde o termoplast, který se mj. používá i jako nehořlavý (samozhášecí) materiál [4].

U tohoto typu aktuátorů je účinnost přeměny elektrické energie na mechanickou práci přes 90 %, ovšem míra poměrného přetvoření se pohybuje v desetinách, maximálně v jednotkách procent [2]. Vlivem malých deformací lze očekávat vysokou životnost aktivního materiálu.

Reklama
Reklama
Reklama
Piezoelektrický jev – azurovou barvou jsou označeny vektory elektrostatické síly.

Příklad aplikace – elektrostrikční vlákno

V roce 2010 byl piezoelektrický aktuátor v podobě vlákna o průměru 100 µm zkoumán vědci z kalifornské univerzity. Drát byl vyroben z polyvinyldienfluoridu (PVDF) a k hliníkovým elektrodám byl připojen elektricky vodivým akrylovým lepidlem. Po aplikaci elektrického pole o velikosti 1,2 V.µm-1 došlo k jeho deformaci. Maximální průhyb činil 0,6 µm [5].

Počítačová simulace projevu elektrostrikčního vlákna [5]


Pro zvětšení klikněte na tabulku.


Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Schéma a reálný objekt elektrostrikčního vlákna [5]

Feroelektrické aktuátory

Fungují na podobném principu jako elektrostrikční aktuátory. Feroelektrické aktuátory sestávají ze speciálních kopolymerů, které na základě své stavby jsou schopny uchovat – při pokojové teplotě – elektrický náboj. Díky těmto vlastnostem mohou při aktivaci elektrostatického pole konat pohyb, respektive práci.

Smysl elektrostatického pole elektrostrikcích aktuátorů lze obrátit zahřátím nad Curieho teplotu (kdy látka ztrácí své feroelektrické vlastnosti) a dále umístit do elektrostatického pole opačného smyslu a znovu ochladit pod Curieho teplotu. Tímto postupem tzv. krystalické domény kopolymerů změní svou polaritu. Přetrvávajícím problémem je ovšem fakt, že k dosažení funkčnosti aktuátoru se musí měnit polarita kopolymerů. Z toho vyplývá, že tento druh aktuátorů může pracovat v oblastech Curieho teploty, což je teplota vyšší než pokojová. Změna polarity rovněž vykazuje značnou hysterezi. Mezi feroelektrické materiály patří moderní kopolymery na bázi PVDF. Jedná se například o P(VDF-TrFE), tedy poly(vinyldienfluorid-trifluoretylen) [1,2].

Nízký rozsah provozních teplot souvisí s požadavkem provozu v oblasti Curieho teploty. Zásadní nevýhodou je nutnost řízení teploty materiálu, což snižuje rychlost aktivace a účinnost. I tak lze podle [2] dosáhnout účinnosti kolem 80 %.


Pro zvětšení klikněte na tabulku.


Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Příklad stavby feroelektrického materiálu.

Aktuátory tvořené elastomery s tekutými krystaly

Tyto aktuátory lze řadit na pomezí mezi aktuátory aktivované elektrickým proudem a elektrostatickým polem. Pro vysvětlení jejich principu si nejprve přibližme některé pojmy. Mesogeny jsou stavební prvky tekutých krystalů. Skládají se z několika benzenových jader doplněných případně o další prvky (především kyslík, popřípadě chlor). Schematicky se zakreslují oválem. Mesogeny jsou řetězci s jednoduchými vazbami připojeny k nosnému polymeru, který omezuje jejich volný pohyb. Mesogeny na základě svého složení tvoří elektrický dipól [1, 2].

Molekula mesogenu a jeho schematické zobrazení. [2]

Nematická fáze tekutého krystalu je stav, kdy mesogeny jsou orientovány rovnoběžně, ve vzájemně přesazené pozici. Smektická fáze tekutého krystalu je stav, kdy mesogeny jsou rovněž orientovány rovnoběžně, ale nejsou přesazené. Tato fáze se dále dělí na Smectic A a Smectic C, přičemž záleží na úhlu orientace mesogenů. Chirální neboli cholesterická fáze se od popsaných fází liší tím, že uspořádání mesogenů probíhá v prostoru. Mesogeny tvoří šroubovici ve směru osy kolmé na uvažované řezy tekutého krystalu, přičemž v každé ploše jakéhokoliv uvažovaného řezu zaujímají uspořádání shodné s uspořádáním nematické fáze. Jednotlivé fáze jsou znázorněny na obr. 6. Mezofáze je stav tekutého krystalu mezi tuhou a kapalnou fází. V rámci mezofáze jsou tekuté krystaly schopné zaujímat nematickou, smetickou nebo chirální nematickou fázi [1, 2].

Mezofáze tekutých krystalů

Aktuátory tvořené tekutými krystaly mají jedinečné vlastnosti, které umožňují jejich aktivaci třemi způsoby. Jednak jde o aktivaci elektrickým polem o velmi nízkém napětí (hodnoty se pohybují okolo 1,5 MV/m), dále tepelnou energií, ale podle [7] lze tekuté krystaly aktivovat ultrafialovým světlem! Aktivací elektrickým polem dochází k natočení mesogenů tak, aby vektory elektrických dipólů mesogenů souhlasily s vektorem elektrického pole a tím pádem dochází ke změně orientace mesogenů, což vyvolá objemové změny polymeru s tekutými krystaly. Aktivací teplem nebo světlem dochází ke změně tekutých krystalů z mezofáze na kapalnou fázi. Tento jev má za následek velké objemové deformace [1, 2].

Co se týká aktivace teplem, zdroj [2] udává velikost poměrného přetvoření až 400 %. Při aktivaci elektrickým polem lze dosáhnout aktivační frekvence 133 Hz při poměrném přetvoření 4 %. Účinnost při aktivaci elektrickým polem se pohybuje kolem 75 % [1].

Případ aplikace – fotocitlivé pásky

Vědci z oxfordské univerzity a z univerzity v Enschede v Nizozemsku vyrobili funkční vzorek aktuátoru aktivovaného ultrafialovým zářením. Jde o tenký proužek materiálu, který je tvořen elastomerem s tekutými krystaly. Za normálních podmínek (při pokojové teplotě) jsou tekuté krystaly v chirální nematické fázi. Při aplikaci ultrafialového záření dochází ke změně chirální nematické fáze na kapalnou izotropní fázi. Ve vrstvě, v níž je orientace mesogenů shodná se směrem největší délky proužku elastomeru s tekutými krystaly, dochází k délkovému smrštění této vrstvy. Smrštění vrstvy je dáno přeupořádáním mesogenů do náhodných směrů. Naopak ve vrstvě, ve které je orientace mesogenů kolmá na směr největší délky proužku, dojde k délkovému roztažení této vrstvy [7].

V závislosti na úhlu orientace mesogenů ve střední vrstvě vzhledem ke směru největšího rozměru je možné zajistit požadovaný průběh deformace pásku od levotočivého spirálovitého zkroucení přes stočení pásku (úhel 90°) až po jeho pravotočivé spirálovité zkroucení. Tento děj zobrazují obr. 7 a 8 [7].


Závislost směru pásku na deformaci [7]
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Deformace pásku způsobená UV zářením [7]


Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Oblasti použití všech popsaných principů

Z hlediska dostupnosti materiálů jsou elektrostrikční aktuátory velmi dobře použitelné. Materiál PVDF se používá jako konstrukční materiál v oblastech potravinářství nebo farmacie, protože velmi dobře odolává chemickým vlivům a snese teploty až 150 °C. Vzhledem k aktivaci vysokým elektrickým napětím a velmi malým deformacím je však jeho použití nevýhodné. Možná oblast použití je v miniaturních zařízeních na ovládání mikroventilů. Použití feroelektrických aktuátorů lze očekávat ve stejné oblasti jako u elektrostrikčních aktuátorů.

Podstatná výhoda elastomerů s tekutými krystaly spočívá v nízké hodnotě modulu pružnosti. To předpokládá schopnost větších objemových deformací. Pokud se zlepší deformace při aktivaci elektrickým polem, lze předpokládat úspěšné nasazení tohoto materiálu v nejrůznějších oblastech, například jako pohon ostření čoček fotoaparátů.

Fakulta strojního inženýrství, VUT v Brně

Petr Kočiš, Radek Knoflíček

knoflicek@fme.vutbr.cz

Použité zdroje:

[1] Madden, J. D. W., Vandesteeg, N. A., Anquetil, P. A., Madden, P. G. A., Takshi, A., Pytel, R. Z., Lafontaine, S. R., Wieringa, P. A. and Hunter, I. W. 2004. „Artificial Muscle Technology: Physical Principles and Naval Prospects.“ IEEE Journal of Oceanic Engineering 29 (3): 706-728. doi:10.1109/JOE.2004.833135.

[2] Brochu, P. and Pei, Q. 2010. „Advances in Dielectric Elastomers for Actuators and Artificial Muscles.“ Macromolecular Rapid Communications 31 (1): 10–36. doi:10.1002/marc.200900425.

[3] Přispěvatelé Wikipedie. „Piezoelektrický jev.“ Wikipedie: Otevřená encyklopedie, https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Piezoelektrick%C3%BD_jev&oldid=13403451 (získáno 7. 03. 2016).

[4] „PVDF (Polyvinylidenefluorid) – SYGEF® Standard & Plus & Exhaust.“ Tribon plastové potrubní systémy, //www.georgefischer.cz/produkty/materialy/pvdf-polyvinylidenefluorid-sygef-standard-plus-exhaust (získáno 7. 03. 2016).

[5] Pu, J., X. Yan, Y. Jiang, C. Chang and L. Lin. 2010. „Piezoelectric Actuation of Direct-Write Electrospun Fibers.“ Sensors and Actuators, A: Physical 164 (1–2): 131–136. doi:10.1016/j.sna.2010.09.019.

[6] „PVDF – polyvinyliden fluorid.“ Tech Plasty, //www.techplasty.sk/material/specialne-plasty/pvdf-polyvinyliden-fluorid (získáno 7. 03. 2016).

[7] Iamsaard, S., Aßhoff ,S. J., Matt, B., Kudernac, T., Cornelissen. J. J. L. M., Fletcher, S. P. and Katsonis, N.. 2014. „Conversion of Light into Macroscopic Helical Motion.“ Nature Chemistry 6 (3): 229–235. doi:10.1038/nchem.1859.

Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 160704
Datum: 29. 06. 2016
Rubrika: Servis / Zajímavosti
Autor:
Firmy
Související články
Made in Česko: Kde rostou srdce laserů

Že se dá pěstovat kdeco, je jasné – žampiony ve sklepě počínaje a vzácnou orchidejí konče. A není vůbec vyloučeno, že se snadno stanete světově proslulými pěstiteli. Stačí, aby vaše orchidej chytila nějak výjimečnou, netypickou barvu nebo byla větší než jiné, a je to, budete v novinách a stanete se světově známým pěstitelem. Existuje však jedno pěstování, které na hobby úrovni realizovat a dosáhnout v něm světového věhlasu nelze. Jde o pěstování monokrystalů pro vědu, výzkum, inovace a průmysl.

Made in Česko: Bezpečné bezdrátové spojení pro všechny

Prognózy, které se týkají internetu věcí (IoT) a průmyslového internetu věcí (IIoT), se mění stejně rychle jako možnosti této technologie samy. Už v roce 2008 bylo na světě víc připojených zařízení než lidí a odborníci ze Světového ekonomického fóra (WEF) tvrdí, že do roku 2025 bude 41,6 miliardy zařízení zachycovat data o tom, jak žijeme, pracujeme, pohybujeme se, jak fungují naše zařízení, stroje.

Stroje v pohybu:
Divoká jízda sondy Pathfinder

Sonda Mars Pathfinder, která 4. července 1997 přistála na rudé planetě, se může pyšnit několika prvenstvími. Třeba tím, že šlo o první mimozemský výsadek masově sledovaný uživateli internetu. Nebo tím, že jako první dopravila na Mars kolové průzkumné vozidlo, rover Sojourner.

Související články
Stroje v pohybu: Protipožární letadlo

Uprostřed letošního léta byl národní park České Švýcarsko zasažen rozsáhlým lesním požárem, proti němuž zasahovali hasiči z celé republiky. Velké pozornosti se v této souvislosti dostalo mimo jiné protipožárním letadlům Canadair CL-415, zapůjčeným z Itálie. Pojďme si tento letoun blíže představit.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Stroje v pohybu: Raketa, která změní svět

Americký podnikatel Elon Musk se od založení své firmy SpaceX v březnu 2002 netají tím, že jeho dlouhodobým cílem je kolonizace Marsu člověkem. Již letos přitom plánuje uskutečnit premiérový start orbitální rakety Starship, která mu má tento cíl pomoci splnit.

Stroje v pohybu:
Fotoprůzkumné družice

Za druhé světové války přinášely informace z fronty filmové týdeníky, při první válce v Perském zálivu vysílala živě CNN z bombardovaného Bagdádu – a nyní na Ukrajině má veřejnost poprvé v historii k dispozici prakticky v reálném čase družicové snímky. Navíc neskutečné kvality. Každopádně jde o materiál, který umožňuje potvrdit, nebo naopak vyvrátit mnohá tvrzení válčících stran.

Stroje v pohybu:
Webbův teleskop ve vesmíru

Pětadvacátého prosince loňského roku odstartovala z evropského kosmodromu ve Francouzské Guyaně raketa Ariane 5, v jejímž nákladovém prostoru byl na svou misi připraven vesmírný dalekohled Jamese Webba. Právě začala nová etapa poznávání vesmíru. Vědci si od ní slibují nové informace o vzniku vesmíru, černých dírách a temné hmotě.

Stroje v pohybu – Pražská mobilní zvonohra

Tentokrát vám představíme stroj veskrze zvláštní a jedinečný. Vlastně jde o hudební nástroj. Je to však takový nástroj, jehož schopnost hýbat se je jen velmi obtížně představitelná, i když má v názvu slovo „mobilní“. Je to totiž zvonohra, jejíž hlavní součástí je soubor 57 zvonů. Jen samy zvony váží dohromady bezmála pět tun, hmotnost celého nástroje je 12 000 kg. Takový kolos byste čekali spíš v mohutných zdech chrámové věže než na korbě nákladního automobilu.

Stroje v pohybu – Vrtulník na Marsu

Vědci a technici z amerického Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA) právě řídí jednu z nejnáročnějších operací v dějinách kosmonautiky. Expedice Mars 2020 hledá známky bývalého života na sousední planetě. Kromě pojízdné laboratoře je na Marsu také první stroj, který létá vlastní silou na jiné planetě, než je Země.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 7. díl: Bezpečnost trakčních baterií

V tomto díle se zaměříme na další problematickou stránku elektromobilů, na jejich bezpečnost. Oč nám půjde především, jsou rizika spojená s možným vzplanutím trakční baterie. Jak totiž v rozhovoru pro KdeNabíjet.cz uvedl plk. Mgr. Rudolf Kramář, mluvčí Hasičského záchranného sboru ČR, pokud požár elektromobilu nezasáhne trakční baterii, pak neexistuje významnější rozdíl mezi požárem bateriového elektrického vozidla a toho s klasickým spalovacím motorem. Jakmile však baterie vzplane, ať už jsou toho příčiny vnější anebo vnitřní, vyžaduje si uhašení elektromobilu rozdílné, a nutno říct, že komplikovanější a nákladnější hasičské techniky a další navazující postupy.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 3. díl: Energetický mix České republiky

V minulém díle jsme upozornili na tu skutečnost, že elektromobily lze za vozidla s nízkými anebo nulovými emisemi skleníkových plynů považovat pouze podmíněně a že jednou z takových podmínek je energetický mix dané země. To jsme ilustrovali na rozdílných emisích bateriových elektrických automobilů mezi Řeckem (155,3 g CO2/km) a Švédskem (4,1 g CO2/km). V tomto díle se zaměříme právě na energetický mix, jak všeobecně, tak v souvislosti s očekávaným postupným přechodem na elektromobilitu.

Úspory naruby - Pravda a lži o vytápění, 2. část

S neustálým zdražováním energií se mnoho obyvatel ptá, čím ekologicky a současně i ekonomicky, tedy levně a s účinností pokud možno přes 100 %, vytápět svůj rodinný dům?

Made in Česko - Vodu nejen pro poušť

S.A.W.E.R. To je název vskutku geniálního zařízení na hranici skutečnosti a sci-fi, které bude ve velmi suchých oblastech generovat ze vzduchu vodu a posléze kultivovat místní půdu v úrodnou zemi. Zařízení již existuje a veřejnosti bude představeno na výstavě Expo 2020 v Dubaji. A stejně jako další neuvěřitelné patenty, které vám představujeme v tomto seriálu, i S.A.W.E.R. je výhradně dílem českých hlav a českých rukou.

Vyvíjí se nový solný reaktor

Ruští vědci zahajují přípravu koncepce reaktoru chlazeného tekutými solemi, který je považován za nezbytnou součást budoucnosti jaderné energetiky. Tento reaktor je totiž schopen spalovat nejrizikovější radioaktivní odpady pocházející nejen z jaderné energetiky. Dále se připravuje tendr na výstavbu reaktoru BREST-300, který také přispěje k řešení problému použitého jaderného paliva.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit