Применение проводящих полимеров для приводящих в движение плавни. Применение проводящих полимеров для приводящих в движение плавники биороботов
 Скачать 48.34 Kb.
|
|
Применение проводящих полимеров для приводящих в движение плавники биороботов Аннотация В настоящее время разрабатываются проводящие полимерные приводы на основе полипиррола для использования в биороботических плавниках, предназначенных для создания и контроля таких сил, как грудной плавник bluegill sunfish (Lepomis macrochirus). Предполагается, что трехслойные гибочные приводы будут использоваться внутри и как лямки плавника для создания высокоуправляемой, гибкой поверхности плавника и что линейные проводящие полимерные приводы будут использоваться для приведения в действие оснований плавников плавников, таких как пара мышц агониста-антагониста, и контролировать жесткость плавника. Для этого применения трехслойные изгибающие приводы были успешно использованы для воспроизведения купирования движения грудного плавника sunfish, контролируя кривизну поверхности плавника и движение его спинного и брюшного краев. Однако, скорость этих больших пленок полимера была медленна, и должна быть увеличена если форма ребра быть модулированным одновременно с движением ребра хлопая. Свободные стоящие линейные дирижируя пленки полимера могут произвести большие усилия и напряжения, но много препон инженерства которые необходимо разрешить для того чтобы создать линейные приводы полимера которые производят одновременно усилия, смещения и тарифы возбуждения необходимы ребром. Мы представляем два подхода, которые используются для решения инженерных задач, связанных с использованием проводящих полимерных линейных приводов: изготовление длинных, однородных лент из полимерной и золотой пленки и параллельное приведение в действие нескольких проводящих полимерных пленок. (Некоторые цифры в этой статье окрашены только в электронном варианте) 1. Введение Проводящие полимерные приводы интегрируются в роботизированные грудные плавники, которые разрабатываются для маневрирования и движения автономных подводных аппаратов (Аувс). Несколько опытных образцов biorobotic плавники были построены с использованием традиционных материалов и приводы (рис. 1), и были использованы для того чтобы расследовать howflexible грудные плавники создавать и контролировать силу в трех измерениях (Лаудер и соавт 2005, Tangorra и соавт., 2006b). Хотя эти робототехнические ребра были успешными научными приборами, относительно крупноразмерные, ригидность и вес моторов и агрегатов которые использованы для того чтобы сработать ребра ограничивают степень к которой эти ребра можно миниатюризировать и включить в малое, рыб-как AUV без терять важные функциональные аспекты их биологически основанной конструкции. Линейные и изгибные проводящие полимерные приводы (Madden et al 2001a, Bar Cohen 2001) изучаются в качестве замены традиционных приводов, так что конструкции плавников могут быть построены таким образом, чтобы в полной мере использовать анатомию биологического плавника и повысить уровень контроля и степень свободы в биороботических плавниках. Из-за своей способности создавать и переносить силы в трех измерениях (Lauder et al 2006), грудной плавник bluegill sunfish (Lepomis macrochirus) был выбран в качестве биологической модели для создания биороботического движителя, который значительно улучшит маневренность Auv. Грудной плавник sunfish двигается сложным способом, который не так легко описать с помощью традиционной гребной или хлопающей кинематики. Во время устойчивого плавания рыба способна производить положительную тягу на протяжении всего удара плавника, и боковые силы, которые только несколько меньше, чем пиковые силы тяги (Tangorra et al 2006b). Эти силы значительно отличаются от существующих данных о хлопая фольгах (Triantafyllou et al 2004, Dong et al 2006), и подразумевают что это движение ребра производит низкие паразитные силы и может иметь высокие пропульсивные эффективности. Сложные движения, которые создают эти силы, являются результатом (1) активного контроля движения и формы плавника со стороны sunfish и (2) динамического взаимодействия между тонким, гибким плавником и водой. ЦФО исследований биологического фин и экспериментальных исследованиях, проведенных с участием прототипа biorobotic ласты показали, что поведение плавник спинной и брюшной края, что чашка о фин по поперечной оси и создать два ведущих ребра как ребра заметен в потоке, и настроенной гибкости ребра по дистальном конце имеют особо важное значение в создании гидродинамики, которые приводят к положительным тяги за оба плавника из-инсульт и переходу ее от похищения на приведение. Дизайн ранних версий biorobotic плавники были основаны в значительной степени на анатомии луна-грудной плавник, но используются поворотные сервомоторы, а не мышцы, как приводы для приведения в действие отдельных лучей плавника в плавник (рис. 1) (Лаудер и соавт 2005, Tangorra и др., 2006а, 2006b). Хотя эти двигатели имели достаточную производительность для питания экспериментальных плавников, они не подходят для передовых конструкций плавников, которые намерены полностью использовать конструкцию и характеристики биологического плавника и рыбы. Например, размер и жесткая конструкция серводвигателей сделать это трудно для них, чтобы быть интегрированы в тонкий, маленький, гибкий и насыщенный, похожий на рыбу транспортных средств в количестве, необходимом для управления парой грудные плавники; их естественное вращательное движение, которое является наиболее эффективным на высоких вращательных скоростях, должны быть направлены и преобразован, чтобы произвести линейные движения на низких скоростях и частотах (0.5–2.0 Гц) требуется фин; и шум, производимый редуктора является крайне нежелательным для апа, предназначенные для военно-морского флота и научно-исследовательских приложений. Сделать возможные конструкции которые более близко следуют за и эксплуатируют зодчеством sunfish-которое выгодно к управлению ребра, своя возникающая гидродинамика и рациональное использование приводов полимера ребра сил—дирижируя включаются в biorobotic ребра как искусственние мышцы. В частности, проведение полимерная трехслойная гнуть приводы используются в, и как, плавник лямки (рис. 1(C)) для того, чтобы активно контролировать форму ребра, и линейные приводы внедряются в ребра скелета для контроля кривизны отдельных лучей плавника в плавник лямки (рис. 2). Проведение приводы полимера были выбраны для этого исследования на основе всестороннего анализа соответствующих свойств многочисленных электро-активных приводов и материалов (охотник и Лафонтен 1992, Мэдден и соавт 2004). Ключевые характеристики дирижируя приводов полимера включают низкие напряжения тока привода (<10 V) и высокие усилия которые могут превысить MPa 10 (Madden et al 2000). Проведение приводы полимера гибкие, легко производить штаммы 2%, а при особых условиях могут подвергаться деформации 20% (Анкетиль и соавт 2004, Хара и соавт 2004). Их можно изготовить в линейные приводы пленки, которые сработаны в электролитических ваннах, или приводы trilayer гнуть, которые можно сработать в воздухе (Lu et al 2002). В отличие от многих других электроприводов из электроактивных полимеров, их микро - и макроструктуры могут быть как механически, так и химически обработаны (Pytel et al 2006), что дает возможность манипулировать их производительностью в молекулярном и полимерном масштабах. Интересной и важной особенностью проводящего полимера является то, что помимо исполнительных механизмов, с ними могут изготавливаться электронные компоненты (транзисторы, конденсаторы, диоды и т.д.) и датчики (силовые, водоизмещающие, химические, оптические) (Madden et al 2001a). Это предлагает возможность строить полные системы от такого же материала через процесс co-fabrication. Части в Co-fabricated системах отдельно не изготовлены и не собраны для того чтобы сформировать систему, как делает в классическом инженерстве, а, довольно, растутся как в природе, от такого же основного комплекта материальных строительных блоков (Madden et al 2001a, Madden 2003). В этой статье мы рассмотрим (1) дизайн и функциональные цели, которые были определены для biorobotic плавники на основе наших исследований синежаберного солнечника грудной плавник, (2) наша концепция использования проводящих полимеров в качестве базовой технологии для создания тонких, гибких ламелей, что у многих срабатывает степеней свободы, (3) использование больших, проводя приводы полимера гнуть для того чтобы контролировать форму biorobotic ребра и (4) прогресс который мы делали в разрешать некоторые из препон инженерства которые необходимо отжать для того чтобы создать линейные проводя приводы полимера которые одновременно производят усилие, смещения и тарифы напряжения необходимы ребром в частности и приборами macroscale вообще. 2. Дизайн цель biorobotic ласты Фундаментальных принципов грудного плавника движений, фин гибкость, активное управление фин форму и жесткость, и их отношению к силе производства, были созданы на основе анализа кинематики и гидродинамики солнышко фин и раннего поколения biorobotic ребер (Tangorra и соавт., 2006b). Эти принципы были использованы для определения функциональных и конструктивных задач для усовершенствованных биороботических плавников, а также для поэтапного введения проводящих полимеров в конструкции биороботических плавников. Во-первых, движение грудного плавника sunfish сложное, но его можно свести к набору более простых движений, которые легче воспроизвести с помощью робототехники. Собственно ортогонального разложения (стручок) (Лян и соавт 2002, Bozkurttas и соавт 2005) был использован для разложения движения грудных плавников во время длительного плавания в набор ортогональных мод, и моделирование с помощью CFD показал, что ребра движения, состоящая из трех из самых энергичных режимах будет генерировать свыше 92% фин общей тяги. Основываясь на визуализациях трех режимов, были определены четыре движения компонентов для плавников, чтобы иметь возможность выполнять индивидуально и комбинировать, чтобы создать более сложные плавательные удары. Это были (1) зачистка ребра вперед и назад, устанавливающим основные ребра бить, (2) купирование ребра относительно его поперечной оси, как плавник прокатилась вперед во время удара, а ООН-купирование ребра во время инсульта (рис. 3), (3) Расширение ребра во время по-хода и (4) высокая частота ’флик’ плавник спинной, дистальный наконечник (Tangorra и соавт., 2006b). Secondly, гибкость ребра критическая к продукции тяги, в частности во время вне-хода ребра. "Подсказк-щелчок" результат динамического взаимодействия между гибким ребром и жидкостью, и был показан через имитации CFD для того чтобы плотно сжать значительно усилия тяги произведенные ребром. Средний коэффициент тяги плавника был почти на 50% больше, когда в анализ был включен режим "tip-flick" (Bozkurttas et al 2005), по сравнению с тем, когда он был опущен. Экспериментально было показано с помощью роботизированных ребра, что (1) движения, напоминающие наконечник-flickwas создан onlywhen гибкость фин соответствует частоте, на которой плавник был заметен и на скорость обтекания ребра и (2) что biorobotic ласты, дала положительные тяги во время хода только тогда, когда гибкость была настроена должным образом. Поэтому biorobotic ласты должны не просто быть гибким, butmust иметь гибкость, соответствующую условиям эксплуатации плавник. В-третьих, плавниковые лучи биологического плавника обеспечивают элегантный способ для рыб контролировать форму плавника и модулировать его жесткость, не ставя под угрозу тонкость и гибкость плавника. Их конструкция или, по крайней мере, их функции должны быть воспроизведены роботизированными ребрами. Каждый из биологических лучей плавника имеет две половины, с группами мышц-похитителей и проводников, прикрепленных к передней и задней основаниям. Как и биламинарная полоса, кривизна и жесткость луча плавника рыбы контролируется перемещением положений ее оснований относительно друг друга. Этот метод может использоваться в роботизированной фин изменять общую форму ребра (рис. 2), чтобы модулировать ребра жесткости в ребра бить, что влияет на величину сил, и активно настраивать гибкость фин как условия для рыбы изменения. 3. Интеграция гибочных и линейных приводов в структуры ребра 3.1. Принципиальная схема Дирижируя actuatorswere полимера ввела в конструкции ребра одновременно с развитием biorobotic ребер которые использовали традиционные моторы. Результативность проводящего полимера приводы быстро улучшилось за последние 15 лет (Бауман и соавт 1991, Ю И Swager 2004, Аличе и соавт 2006, Спинкс и соавт 2006, Wu и соавт 2006), но проблемы остаются, прежде чем эта технология может быть легко использована в качестве замены для традиционных приводов. Например, пока невозможно произвести, одновременно, уровень силы (1-5 Н), смещения (10-15 мм) и скорость (0.4–1.0 Гц), которую нужно подмести фин лучи плавника вперед и назад с помощью проводящего полимера привод модуль, который включает в себя проведение полимера, вспомогательного электрода и электролита (в жидкой или гелевой форме), и имеющим Габаритные размеры, близкие к небольшой поворотный привод. Однако, дирижируя полимеры могут уже принести функциональность к ребру которое нельзя достигнуть используя традиционные приводы. Гибкие дирижируя полимеры можно ввести сразу в webbing и вдоль скелета ребра, и могут включить конформации ребра которые, должные к анатомическим ограничениям, не могут быть созданы биологическим ребром. Мы считали очень важным начать интегрировать дирижируя полимеры в конструкции ребра в самом начале отработочный процесс для того чтобы определить, и начинаем разрешить, препоны инженерства которые необходимо отжать шикарно для того чтобы включать в приводы полимера конструкции ребра дирижируя которые могут одновременно создать необходимые уровни усилия и смещения. Для разработки нашего первого проводящего полимера на основе фин, мы предвидели, что электропроводящего полимера приводы должны быть использованы, чтобы активно контролировать банки, жесткость и поверхность конформаций гибких ребра и небольшое количество традиционные приводы (например, серводвигатели и линейные силы Лоренца приводы) будет использоваться для езды плавник основной развертки движения. Приводы Trilayer гнуть, которые, должные к их конструкции, производят малые усилия но большие напряжения (погнутости) были бы использованы в, и как, webbing ребра. Это позволит активно контролировать весь фин поверхности, а не только основы фин лучей, включаются в биологические фин. Линейные приводы, которые могут произвести большие усилия (MPa 40 максимальный, т. е. мышца 100 Average более высоко чем mammalian скелетная), но вмеру смещения (2%, т. е. 1/10th из линейного сужения mammalian скелетной мышцы) и медленные скорости сужением (2% / s, т. е. 1/50й медленнее, чем скелетные мышцы млекопитающих) (охотник и Лафонтен 1992), должен быть прикреплен вдоль каждого ребра Рэй, и используется для модуляции кривизны и жесткости ребро Рея, контролируя позиции фин Рэй баз (рис. 2). Успешное внедрение дирижируя приводов полимера сразу в webbing и вдоль скелета ребра сделает его возможным создать высоки controllable, поверхность формы morphing которая позволяет для активного управления над жесткостью ребра через изменения к геометрии лучей ребра. Приводимый в действие плавник будет оставаться тонким и гибким, как у рыбы, что приносит пользу производству гидродинамических сил, но будет иметь "мускулатуру" внутри лямки, как у некоторых водных млекопитающих (Biewener 2003). Это приведет к большему влиянию на управление и векторизацию сил плавника. С точки зрения цели проектирования, описанной выше, конкретные цели, поставленные для полимерной приводом ребра были контролировать банки плавник спинной и брюшной края с изгибом приводы и контролировать кривизну ребра лучей с помощью линейных приводов. 3.2. Производство проводящих полимеров Гибочные и линейные приводы изготавливались из полипиррола проводящего полимера. Полипиррол полимерных пленок были получены от 0.06 М очищенного мономера пиррола (Сигма-Олдрич ко. Сент-Луис, Миссури) и 0,05 М tetraethylammonium гексафторфосфата в пропиленкарбонат, используя методы Yamaura (Yamaura и соавт 1992). Затем полипиррол гальваностатически осаждался на полированный стекловидный углеродный электрод при плотности тока 1,25 а м-2 при -40 ° С. осаждение в течение 12 ч дает пленку толщиной 20-25 мкм. Пленки снимали с электрода после напыления и промывали. Чтобы сформировать трехслойная изгиб приводов, два полипиррол пленок, разделенных тонким листом бумаги, смоченным в объектив гелевым электролитом. Гель-электролит действует как ионный водохранилища и состоит из 1-buthyl-3-methylimidazolium тетрафторборат (BMIBF4—растворитель инноваций). В BMIBF4 гелевым электролитом образуется от 40 моль% BMIBF4, 58.4 моль% 2-гидроксиэтилметакрилата, 0.8 мол.% этиленгликоля диол и 0.8 мол.% азо-бис-isobutyronitrile (Сигма-Олдрич ко, Сент-Луис, Миссури). Бумага объектива помогает предотвратить электрические шорты от превращаться между 2 пленками polypyrrole. После сборки, устройство трехслойная, прессуют и помещают на 1 ч в сушильном шкафу при 85 ◦C. этот процесс позволяет полипиррол пленки хорошо прилипают к объективу бумага/гель-электролит смесь, и предотвращает слои от шелушения врозь. Однако погружение собранного трислоя без инкапсуляции в водный раствор приведет к отслаиванию трех слоев друг от друга. Заключение также помогает предотвратить гель электролита от засыхания и увеличивает продолжительность жизни прибора trilayer. 3.3. Трехслойная изгиб приводов Приводы Trilayer гнуть были использованы с вмеру успехом в применениях которые имели активные гнуть требования подобные к тому из робототехнического ребра (Jager et al 2000, Madden et al 2004). Результаты этих исследований, в сочетании с последними достижениями в скорости изгиба приводов, сделали его, кажется, разумным, что трехслойный изгиб привод может достичь сил и скоростей, необходимых активной мембраны плавника, чтобы двигаться и удерживать свою форму, как плавник был пронесен через воду. Например, Madden et al (2004) использовали гибочный привод из полипирроловых пленок толщиной 150 мм 30 мм 30 мкм для создания регулируемого откидного клапана для задней кромки водной фольги. Для предотвращения разложения электролитного слоя при испытании заслонки в воде привод был инкапсулирован тонкой (3,5 мкм) полиэтиленовой пленкой. Щиток произвел свыше 0.15 N, мог вытерпеть малые отклонения под нагрузками 0.15 N, и достиг отклонения 35 Փ в 4 s (0.125 Hz). Мэдден пришел к выводу, что плотность работы полипиррола была достаточной для получения желаемого возбуждения, но что силы и скорость бислоев должны быть улучшены, чтобы успешно реализовать проводящий полимер переменной развала заслонки. 3.3.1. Последние события. В последние годы, наше вникание факторов которые влияют на представление приводов trilayer гнуть улучшало (Metz et al 2006), как имеет нашу способность изготовить и поместить приводы trilayer. В результате, гораздо высокее тарифы напряжения были достиганы без жертвовать значительно усилие которое можно произвести. Например, изгиб приводов (50 мм Ч 10 мм Ч20 µmfilms) было показано, что способен шагает через воду на скорости около 50◦ С−1 (рис. 4), более чем в четыре раза, что достигается путем сгибания привод испытан в воздухе в 2004 году. Движение через воду было достаточно быстрым, чтобы заставить вихри сбрасываться с краев полимера, и это предположило, что изгибающий привод был способен перемещать лямку плавника через воду и генерировать гидродинамические силы. Пик силы для приводов трехслойная, изготовлена из 40 мм x 6 мм x 20 мкм полимерной ленты превысил 4,5 млн (рис. 5), который соответствует изгибу приводы производства 7 Ч 10−6 Нм крутящего момента в 1mmof Ширина привода. Этот момент совпадает с найденным Ву и соавт (2006). Прямое сравнение сил, создаваемых этими пленками, с силами, создаваемыми пленками, протестированными Madden et al (2004), нецелесообразно, поскольку толщина пленки, электролит, Размер электрода и напряжения активации были разными. Однако, как индикация что более недавние, более быстрые пленки были способны соответствующих усилий, пленки 50% более толщиные испытанные Madden произвели разумно подобные 15 x 10-6 n m вращающего момента в 1 mm ширины полимера. Мы недавно обнаружили, что скорость деформации при увеличении температуры трехслойная. Повышение температуры может быть произведено внешними источниками, как лампы жары, или произведено внутри полимер через топление джоуля. Такое нагревание происходит на границе раздела электродов и сократительного полимера за счет контактного сопротивления и способствует наибольшему изгибу трехслойных приводов в этой точке контакта (рис.6). Всестороннее обсуждение механизмов, повышающих скорость деформации, представлено в Chen (2006). Подводное возбуждение требует середины поместить прибор проводя полимера активный от воды. Заключение должно загерметизировать trilayer хорошо, но не может ограничить движение прокладок полимера. Были исследованы парах несколько методов инкапсуляции хранение париленового покрытия, тонких (до 6 мкм) Лавсановой листов и полиэтиленовой пленки закрепленной на трехслойная, с клей спрей, и чувствительный к давлению уплотнение обруча (Griptex, Проктор и Гэмбл). Поверхность давления-чувствительного обруча имеет много рему и зиг, при светлый прилипатель стратегически помещенный только в зигах. Методы заключения были оценены качественно путем наблюдать движением trilayers в воде и проверять для утечки. Из испытанных методов, griptex и parylene encapsulationmethodsworked самое лучшее для больших поверхностей полимера. Пленки TheGriptex придерживались к trilayerswithout мешая движение пленок, как иногда происходило когда прилипатель был распылен равномерно над поверхностью пленки. Другим преимуществом этого метода инкапсуляции является то, что он не является постоянным. Пластичный обруч можно легко извлечь, и trilayer можно переформовать, повторно использовать или сработать в воздухе. Покрытие parylene обеспечило эффективное заключение, но процесс покрытия подвергал образец действию полимера к сильному вакууму который наш опыт показывал сушит гель электролита отделяя 2 фильма полимера и ухудшает представление прибора trilayer гнуть. 3.3.2. Проведение прототипов полимерных плавников. Три подхода были приняты в наших усилиях по использованию трехслойных гибочных пленок для создания плавников, которые имели несколько областей паутины под активным контролем и которые могли производить купирование движения грудного плавника sunfish. Первое ребро сработанное полимером было построено путем sandwiching 2 диапазона гнуть привода внутри 2 тонких (100 µm) полиэстровых пленок (Mylar, системы 3m визуально, Austin, TX) (Диаграмма 7). Пленки и приводы полимера были отрезаны в форму ребра sunfish pectoral, при приводы полимера расположенные вдоль основания ребра и через свой дистальный конец. Длинные прорези были разрезаны на плавник от основания до его дистального конца. Полиэстер фильмы выступал в качестве фин веб и обеспечили структурную поддержку для полимерной приводы и поперечным разрезами служило, чтобы отделить ребра в пяти разделов и для уменьшения жесткости ребра так, что он может быть более легко сложил о фин по поперечной оси. Медная лента была выложена в виде ответвления для обеспечения электрического контакта проводящих полимерных приводов в каждой из пяти боковых секций. Проводящий прилипатель был использован для того чтобы обеспечить контакт. Этот фин был способен вырабатывать и удерживать небольшое кровопускание движения (рис. 7), но скорость возбуждения был медленным и большинство искривления в боковых ребер. Около 10 секунд требовалось для завершения движения. 5 разделов ребра не смогли быть проконтролированы независимо потому что пленки полимера были непрерывны через разрезы и поэтому каждый раздел не был изолирован электрически. Однако, местная погнутость смогла быть повлияна на и скорость возбуждения увеличенная путем придавать напряжение тока выборочно к электродам. Формирование полиэфирная пленка и поперечным разрезами ограниченных фин двигаться в чистом баночный движения, в отличие от плойки вместе не нужное направление, но мы подозреваем, что жесткость этой Лавсановой пленки был слишком велик, и углы, из щелей не выровнен оптимально, для трехслойная проявлять большую баночный движения. Во второй конструкции прототипа проводящая полимерная пленка использовалась в качестве всей лямки плавника, а не рассматривалась как привод, который должен был размещаться в отдельной паутине. Большой трехслойная пленка была помещена в пяти гибкий ‘фин лучей (рис. 8), что ограничивает фин двигаться с желаемой баночный движения. Основания лучей 1 (крайние левые), 2 и 5 (крайние правые) были прикреплены к тонким балкам низкой жесткости, которые были консольными, угловыми и легко изогнутыми у основания. Зафиксированы основания плавниковых лучей 3 и 4. Такое расположение позволило плавниковым лучам 1, 2 и 5 перемещаться по траекториям, которые заставляли полимерную паутину покрывать около лучей 3 и 4, которые были неподвижны. Лучи сгибания и ребра были конструированы используя програмное обеспечение UNIGRAPHICS NX 3 CAD и были изготовлены используя стереолитографию (системы 3D, Холм утеса, SC; Материал Si 40 Accura). Медная и золотая лента была обернута вокруг каждого луча плавника, чтобы обеспечить электрический контакт с каждой стороны пленки трислоя, а большая пленка трислоя была сшита на лучи через иглу и нить. Путем обеспечивать электрический контакт вдоль длин лучей ребра, довольно чем локализующ электроды на основании ребра, мы верили что мы могли увеличить скорость и прочность придавая форму чашки движений путем управлять ионами электролитического геля одновременно повсеместно в ребро. Хотя большие пленки trilayer двинули визуально когда напряжение тока было прикладной, ребро не сумело произвести полное придавая форму чашки движение. Мы не считаем, что это было связано с жесткостью лучей плавника или слишком большим изгибом, но предполагаем, что это могло быть связано с неспособностью признать, что большие пленки имеют предрасположенность к изгибу вокруг определенных осей и не выравниванию этих осей с направлениями движения, ограниченными каждым из лучей плавника. Сгибание привод трехслойная часто объясняют, как возникает, как bilaminar полосу, с одной стороны трехслойная, расширяя и другими договаривающимися. За редким исключением (Jager et al 2000), эксперименты с трехслойными приводами, как правило, ограничивают пленки только на одном конце (рис.4, 6 и 7) и/или используют длинную пленку, которая наиболее естественно скручивается относительно ее более короткой ширины. В отличие от этого, пленки trilayer которые были использованы для того чтобы сделать паутины ребра были довольно квадратны и больш (100 mm), и имели множественные электроды бежать через ребро которое предотвратило движения за исключением в предопределенного направления. Как показано с нашей третьей конструкцией ребра, придавая форму чашки движение может быть произведено славно путем определять оси вдоль которых большой фильм естественно гнет и использование физических ограничений для того чтобы увеличить движение. Третий и самый успешный из проектов плавников использовал трехслойную пленку в качестве лямки плавника, как и для второго прототипа плавника, но имел несколько физических ограничений, наложенных на движение фильма. Плавник был изготовлен путем разрезания трехслойного полимерного привода на форму грудного плавника и прикрепления двух легких Майларовых ребер к задней части плавника. Ребра гибкие, но сделал фин жестче вдоль размаха от основания до дистального конца, и призвал верхнего и нижнего краев трехслойная, сложить и создать форму лодочкой (рис. 9). Электрический контакт был сделан с пленками полимера путем зажимать основание ребра между 2 слоями подпертого золотом фильма Mylar. Изогнутое основание помогло создать приданную форму чашки путем ограничивать движение ребра больше вдоль средней линии чем на любом крае. Фильм привода трислоя был отрезан, и нервюры прикрепленные к своей поверхности, только после того как фильм был сработан и направления фильм предпочитал согнуть были знаны. Этот грудной плавник демонстрировал большое купирующее движение. Верхний край был способен прогибаться более чем на 90°, а нижний край достигал около 45°, что сопоставимо с движениями биологического плавника. Однако эти предложения были медленными. Для достижения полностью купированной стадии требовалось 10 секунд. В дополнение к придавая форму чашки движению, это ребро смогло bemade подмести вперед и назад на свое основание путем изменять, немножко, размещение и активация электрода. Движение стреловидности было гораздо быстре чем придавать форму чашки, требуя, что меньш чем 2.5 s согнуло 90 Փ. Результаты этих 3 прототипов показывают что приводы trilayer дирижируя полимеров можно использовать для того чтобы создать поверхности с меняя геометрией 3D. В частности, эти полимерные устройства могут частично воспроизводить купирование и движение развертки грудного плавника. Механически ограничения и структурные элементы напечатанные используя принтер стереолитографии 3D или отрезок из облегченной пластичной пленки транспаранта позволяют управлению направления гнуть полимера. Пока большие придавая форму чашки деформации могут быть достиганы и придержаны этими приборами полимера, скорость остает лимитированной с этими большими приборами. Например, наш голодный плавник, показанный на рис. 9, показал полное сжатие примерно за 10 с, тогда как сжатие за 1-2 с, вероятно, требуется для воссоздания гидродинамических эффектов, используемых плавником sunfish для создания силы. Включение электропроводных конструктивных элементов в полимерный трислоя позволит быстрее доставить заряд в пределах всей площади полимерного ребра, тем самым увеличивая скорость устройств. 3.4. Линейный привод Проводящие полимерные линейные приводы разрабатываются как средство контроля кривизны и жесткости ребер робота. Предполагается, что линейные приводы будут интегрированы вдоль каркаса ребристых лучей, а также как агонист– антагонист мышцы пара, потянет на противоположные основы фин луча (рис. 10). Это расположение укомплектует гнуть приводы которые используются внутри, и как, webbing ребра. В линейной конфигурации, приводы полимера имеют потенциал вывести наружу очень большие усилия чем в конфигурации привода, в виду того что пленки физически не ограничены вдоль их длин и могут более легко быть сработаны в параллели. Линейные приводы создадут большие усилия необходимы, что изогнули лучи ребра в подачу, или делают их жестким для маневра, и подмести ребро в подачу и назад к телу рыб, и приводы будут положены на Для более точных движений мембраны ребра. Учитывая активные возможности напряжения и деформации полипиррольных пленок, силы, перемещения и скорости деформации, необходимые для приведения в действие роботизированных лучей плавника, могут быть выполнены, по крайней мере, в принципе, соответствующим линейным полимерным приводом. Робототехнические ребра которые развиваются имеют линейные размеры которые приблизительно 4 времени которое биологического ребра, и поддерживать сходство с биологическим ребром хлопнуты между 0.4 Hz и 0.8 Hz. Мы подсчитали, что кривизной плавника робота можно управлять удовлетворительно для использования в маневренных движениях, производя силу 1-5 Н над смещением 1-2 мм, со скоростью 3,0-10,0 Гц. Вообще, контрактильный материал который способен производить некоторый тариф усилия, напряжения и напряжения могл достигнуть определенных усилия, смещения и времени цикла путем соотвественно выбирать зону, длину и распределение поперечного сечения материала. Однако при использовании проводящих полимеров этот подход ограничен, поскольку возникают некоторые трудности, когда полимерные пленки масштабируются до больших размеров. Эти затруднения включают единообразие и отвесный Размер синтезированного материала, уменьшение в скорости в длинномерных и толстых фильмах привода, продолжительность жизни привода, заключение привода, и общие массу и размер системы привода которая включает фильм полимера и системы поддержки. Хотя линейные приводы полимера до настоящего времени не были включены в модели ребра biorobotic, значительно прогресс был сделан в производить линейные приводы которые производят соответствующие смещения и усилия, и которые улучшали скорости возбуждения. 3.4.1. Изготовление полимерной ленты. Большие смещения могут быть достиганы с линейными приводами полимера или механически усиливать смещение малой пленки или путем использование очень длинних пленок полимера. К недостаткам механического усиления относятся потеря мощности и увеличение сложности системы. Недостатки длинних приводов включают затруднения в создавать пленки которые имеют последовательные размеры, свойства, и которые заключают контракт наилучшим образом и потенциально медленные скорости возбуждения. Для производства фильмов, что контракт одинаково хорошо по длине фильма, мы разработали методику изготовления длинные, однородные, высокого качества лентообразные полипиррол фильмов. Полипиррол синтезирован электрохимически на цилиндрический тигель. Электрохимическое низложение производит ровные, равномерные пленки выбранной толщины, типично заказа µm 20. Изготовленный на заказ начатый отрезая инструмент, установленный в центр компьютера численно контролируемый (CNC) поворачивая, после этого использован для того чтобы отрезать фильмы на тигле в спиральной картине к точности 1 µm. Спиральный узор позволяет длинные ленты полимерные пленки должны быть созданы, ограничены по длине и ширине всего на общую поверхность тигля. С помощью данного метода созданы полимерные ленты длиной более 5 м. В дополнение к этим длинним тесемкам полимера мочь заключить контракт через большие смещения, толщины тесемок точные и ширины улучшают нашу способность характеризовать их представление. Этот метод изготовления способен создавать приводы с почти идентичными размерами и техническими характеристиками, которые являются важными атрибутами для инженерных систем. Большой ущерб к скорости возбуждения длинних дирижируя приводов полимера электрический Импеданс пленки полимера которая создает падение времени зависимое омовское потенциальное вдоль длины пленки. Это эффектно понижает напряжение тока которое управляет ионами В И из пленки полимера и плотно сжимает представление пленки путем замедлять тариф возбуждения пленок. Омовское потенциальное падение увеличивает с длиной сработанной пленки, и будет произноситьле по мере того как пленка принесена к уменьшенному положению. Было показаны, что будет включать проводника в, и вперед, привод эффективным путем уменьшить это влияние и увеличить скорость возбуждения длиннего фильма (Spinks et al 2003, 2005). Наш подход включает проводной слой сразу в ленты полимера путем гальванизировать тонкий слой золота на стеклянный тигель углерода до electrodepositing полимер. Золотой слой плавится к полимеру и остается с полимером по мере удаления ленты из тигля (рис. 11). Проводящий слой служит электрическим байпасом по всей длине полимера, тем самым сокращая расстояние, которое заряд должен пройти через полимер во время срабатывания и уменьшая влияние падения омического потенциала. Длинный (200 мм), золотой, полипиррол фильмов были включены в прототип устройства разработан, чтобы применить силу и вытеснить нагрузки (рис. 11). Прибор состоит из челнока на подшипниках который нагружен массой которая висит шнуром над шкивом. Лента полимера прикреплена через струбцины тон-оси золота на своих 2 концах, и сработана против поджатия вися массы. Струбцины тон-оси служят как электрические соединения к полимеру, и прибавлять на длина привода, котор нужно отрегулировать, например в ответ на ползучесть. Челнок может быть связан потенциально с модельной базой лучей плавника, чтобы экспериментировать с контролем кривизны плавника, и более одной такой системы может быть сделано, чтобы работать параллельно. Длинние приводы тесемки-200 mm длинне, 5 mm широко, µm 12 толщиной и подперто с 0.5 µm золота-могли произвести последовательные смещения 1.4 mm на повторенных циклах 20 s держа изотонически на 1MPa в гексафторфосфате натрия. Смещения ofmore чем 6mmcould были произведены путем увеличивать время цикла до 100 s. 3.4.2. Увеличение силы привода. Для генерации сил, требуемых биороботическими ребрами (1-5 Н), необходимо использовать относительно значительную площадь поперечного сечения полимера (0,5– 2,5 м 2 при активном напряжении 2 МПа). Один из подходов заключается в депонировании толстых пленок. Несчастливо, более толщиные пленки срабатывают более медленное должное к большому расстоянию ионы перемещают через полимер по мере того как они отражают В И из пленки во время расширения и сужения. Диффузионный время срабатывания константа, тд, обратно пропорциональна диффузионной проницаемости, D и прямо пропорциональна квадрату толщины образца полимера, (Мэдден и др., 2001а, 2001b), или тд = А2/4Д. (1) более успешной стратегией является следовать подход, используемый природой для скелетных мышц, и для приведения в действие многих тонких пленок в параллельном режиме. В виду того что скорость сужения привода полимера обратно пропорциональна к квадрату толщины пленки, полезно сделать систему привода от смеси нескольких тонких пленок работая совместно. С помощью ряда более тонкие, более тонкие приводы параллельно расстояниях от ионов во время возбуждения может быть снижена до приемлемого уровня. В действительности, общая скорость срабатывая системы может драматически быть увеличена путем двигать к большим собраниям более тонких пленок. Например, уменьшение толщины полимерного привода в 10 раз увеличивает его скорость сжатия в принципе в 100 раз. Таким образом, 10 прокладок дирижируя приводов полимера заключают контракт 100 времен более быстро чем одна пленка полимера равной ширины и соответствующей площади поперечного сечения, пока обеспечивающ такое же совмещенное усилие. Скелетная мышца эволюционировала в связывая схему где сила пропорциональна к общей площади поперечного сечения совмещенных волокон, несмотря на индивидуальные волокна мышцы быть слаба сравнена к потребностям продукции силы. Вдохновленные природой, мы разработали параллельную систему возбуждения для тонкопленочных проводящих полимеров, которая смогла увеличить общую силу, сохраняя при этом более быструю скорость возбуждения, связанную с более коротким временем диффузии (рис.12). После загрузки с образцами, параллельный узел был подключен к Futek клетки нагрузки на контролируемой Moving этап, и ванна наполнилась 0,05 М tetraethylammonium гексафторфосфата (TEAPF6) в карбонат пропилена. Циклическая вольтамперометрия (CV) была использована для того чтобы продемонстрировать максимальную продукцию усилия. ЧВ был выполнен на 100 МВ с−1, с тем чтобы образцы достаточно времени, чтобы полностью контракт. Верхние пределы ЧВ были постепенно увеличивают до образца началась деградация, которая произошла примерно в 4,0 в. максимальная производственная группа в этом тесте был 2.0 N (рис. 13). Это соответствует к активному усилию 4.4 MPa, котор дали полную площадь поперечного сечения образцов и последовательно с одиночным представлением образца. Этот прибор демонстрирует что несколько образцов могут действовать в параллели и в тарифе и величине к емкости одиночного образца. 3.4.3. Упаковывать линейные приводы в рыб-как AUV. Параллельный прибор возбуждения, и длиннее, золото подперли пленки polypyrrole продемонстрировали потенциал практически, приборов линейного привода поставить усилия и смещения в рядах соответствующих для робототехнического pectoral ребра. Форматы этих приборов, однако, были неуместны для auv основанного ребром, по мере того как приборы не эксплуатировали некоторые из различая характеристик дирижируя полимеров: namely, малый размер, выгодные формы и механически гибкость. Сейчас наши усилия направлены на то, что было усвоено из этих устройств, а также разработке систем привода конкретно на фин основе НПА. На рис. 10 показана схема конструкции, включающей линейные полимерные приводы в рыбоподобный корпус. Каждая из групп привода состоит из нескольких активных полимерных пленок параллельно. Активные фильмы золотой и чередуются с пассивными, гибкого электропроводящего полимера счетчик электроды, которые обрабатываются или отрезать быть очень уступчивым и расширяемой. Встречные электроды змейки с активными пленками, но электрически отделены сеткой, гелем или пористым полимером который содержит электролит и позволяют необходимым ионам отразить в и из пленки. Как изображено, группы привода полимера установлены как пара антагониста мышц. Сползая подшипники направляют силу произведенную группами привода к основаниям каждой половины луча ребра, в оппозиции для создания движения ребра, или совместно для того чтобы контролировать ригидность ребра. Подшипники также служат для того чтобы направить группы привода полимера к космосу имеющемуся внутри тело рыб, по возможности snaking взад и вперед, таким образом помогающ упаковать более длинние пленки. При применении параллельных полимерных приводов к конструкциям, аналогичным описанным выше, одной из ключевых задач является поддержание равного натяжения полимерных пленок. Хотя разницы в активной реакции правоподобны уменьшены путем изготовлять тесемки полимера используя процессы CNC высокой точности, прибор извлекал бы пользу усредняя метод обеспечивать пленки на выделенной точке приложения. 4.Вывод Проводящие полимеры-это технология, которая позволяет нам создавать роботизированные плавники, которые полностью используют дизайн и функциональное поведение биологического плавника и рыбы. Хотя это еще не зрелая технология, которая может быть легко использована в конструкциях, большой прогресс достигается в решении инженерных задач, которые должны быть преодолены для проведения полимерных приводов, чтобы считаться жизнеспособным инженерным материалом и широко использоваться. В этом исследовании, приводы trilayer гнуть были использованы успешно для того чтобы создать поверхности ребра морфинга формы которые воспроизвели придавая форму чашки движение ребра sunfish pectoral. Это движение имеет решающее значение для способности грудного плавника производить положительную тягу во время его удара. Благодаря разумному применению легких ребер и ребер жесткости и оценке осей, вокруг которых естественно складывались большие пленки, контролировалась кривизна и движение спинного и брюшного передних краев биороботического плавника. Основным недостатком для приведения в действие лямки роботизированного плавника с использованием больших пленок трехслойных была скорость. Хотя небольшие фильмы (например, 50 мм Ч 10 мм Ч 20 мкм) удалось отогнуть со скоростью 50◦ С−1, скорость, с которой большие и широкие пленки (например, 100 мм в длину и 100 мм в ширину), изогнутой был только 9◦ с−1. Линейные проводя приводы полимера держат обещание больших сил, больших смещений и быстрых тарифов напряжения, но препоны остаются прежде чем эти свойства достиганы одновременно. Выдвижения мы делали недавно в производить длинние, составные пленки полимера и золота которые срабатывают быстро и через большие смещения, и в использовании параллельных стратегий возбуждения создать приводы которые производят высокие усилия и которые имеют высокие тарифы напряжения, важные шаги в создавать дирижируя приводы полимера которые не жертвуют скорость, смещение или усилие. Подтверждения Работа выполнена при поддержке Гранта ОНР-МУРИ N00014-03-1- 0897 под наблюдением доктора Томаса Маккенны. Мы хотели бы отметить наше сотрудничество с Джорджем Лаудером и Питером Мэдденом в Гарвардском университете, а также с Раджатом Митталом, Хайбодонгом и Мелихой Бозкурттас в университете Джорджвашингтона. |