Un team di scienziati ha utilizzato materiali ferroelettrici per creare un attuatore elettrostatico in grado di generare una forte forza a bassa tensione di pilotaggio
Sebbene gli attuatori elettrostatici, che sono dispositivi semplici e leggeri che emulano i muscoli umani, abbiano una struttura semplice e siano leggeri, il loro campo di applicazione è limitato perché per l'uso pratico è richiesta un'elevata tensione applicata superiore a diversi kilovolt. Poiché la forza che agisce tra gli elettrodi di un attuatore elettrostatico è determinata dalla carica elettrica accumulata all'interfaccia elettrodo/dielettrico, l'attenzione è rivolta alla polarizzazione spontanea dei ferroelettrici per aumentare la carica.
Ora, tuttavia, potrebbe essere possibile utilizzare attuatori elettrostatici nei muscoli artificiali grazie alla ricerca del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) che ha utilizzato materiali ferroelettrici per creare un attuatore elettrostatico in grado di generare una forte forza a bassa tensione di pilotaggio.
Gli attuatori elettrostatici sono dispositivi che utilizzano campi elettrici per spostare oggetti. Questi dispositivi sono costituiti da due elettrodi di carica opposta che generano una forza ogni volta che si sviluppa un campo elettrico tra di loro. Alterando la forma dei loro elettrodi e colmando lo spazio tra loro con materiali flessibili e morbidi, sono state sviluppate varie configurazioni per attuatori elettrostatici in cui la forza può emulare quella dei muscoli operativi.
La forza generata dagli attuatori elettrostatici dipende dalla tensione applicata ai loro elettrodi e dalle cariche accumulate all'interfaccia tra gli elettrodi e il materiale dielettrico. Pertanto, per generare forze sufficienti a supportare il movimento e le attività umane, questi dispositivi devono essere alimentati con una tensione elevata, che può essere pericolosa per il corpo.
Con l'obiettivo di aumentare la forza generata dagli attuatori mantenendo bassa la tensione, il professor Suzushi Nishimura e il suo team della Tokyo Tech hanno aumentato la carica accumulata utilizzando materiali ferroelettrici che si polarizzano spontaneamente.
Lo studio, nato dalla collaborazione tra i ricercatori di Tokyo Tech e ENEOS Corporation, in Giappone, è stato pubblicato su Advanced Physics Research. (1)
Quando i materiali ferroelettrici sono soggetti a un campo elettrico, si verifica la separazione di carica (polarizzazione). Tuttavia, a differenza dei materiali paraelettrici convenzionali, i ferroelettrici mantengono la loro polarizzazione anche dopo la rimozione del campo elettrico, consentendo loro di mantenere un elevato numero di cariche accumulate a bassa tensione. Inoltre, poiché la polarizzazione dei materiali ferroelettrici è indipendente dalla tensione, la forza generata è linearmente proporzionale alla tensione applicata (Figura 1). «I mezzi ferroelettrici sono superiori ai normali mezzi paraelettrici per l'uso negli attuatori elettrostatici sotto due aspetti. Uno è che possono generare una forza maggiore mantenendo una grande polarizzazione anche a bassa tensione, e l'altro è che la loro risposta di tensione è quasi lineare, con conseguente buona controllabilità del dispositivo», spiega il professor Nishimura. (2)
I ricercatori hanno usato i cristalli liquidi nella speciale fase nematica (cioè una fase in cui gli assi lunghi delle molecole sono disposti in linee parallele ma non in strati) come materiale ferroelettrico. Si è scoperto che il materiale è in grado di scorrere come un liquido a temperatura ambiente pur possedendo una struttura molecolare a forma di bastoncello come quella dei cristalli solidi, caratteristiche necessarie che conferiscono a questi materiali un grande momento di dipolo (cioè l'entità della polarizzazione) e la fluidità richiesta per il loro uso nei muscoli artificiali.
Nei test, è stato scoperto che il cristallo liquido ferroelettrico genera forze attraverso gli elettrodi, che erano 1.200 volte superiori a quelle dei materiali paraelettrici convenzionali come gli oli isolanti. Con i cristalli liquidi ferroelettrici e un elettrodo a spirale a doppia elica stampato in 3D, i ricercatori hanno sviluppato un attuatore elettrostatico in grado di produrre contrazione ed espansione, come farebbero i muscoli, a basse tensioni (Figura 2). «Quando abbiamo applicato un campo elettrico di 0,25 MV m -1 , il dispositivo si è contratto di 6,3 mm, che è circa il 19% della sua lunghezza originale», afferma il professor Nishimura. «L'osservazione visiva ha mostrato che il dispositivo si muove quando viene applicata una tensione di 20 Volt. Ciò significa che anche una batteria a secco può alimentare il presente attuatore».
Questi risultati dimostrano che i materiali ferroelettrici con polarizzazione spontanea sono promettenti per lo sviluppo di attuatori elettrostatici adatti ai muscoli artificiali. I ricercatori stanno ora pianificando di ottimizzare la viscoelasticità del materiale a cristalli liquidi per migliorare ulteriormente il funzionamento dell'attuatore elettrostatico.
Riferimenti:
Descrizione foto:
Foto destra: L'uso del mezzo ferroelettrico ha generato forze sufficienti per ottenere una contrazione di 6,3 mm con l'applicazione di 200 V. È stato anche osservato che il dispositivo si muove leggermente a 18 V, indicando che può essere alimentato da una batteria. - Credit: Advanced Physics Research.
Foto sinistra: La relazione tra forza generata e tensione applicata per cristalli liquidi ferroelettrici. Poiché la forza generata nei mezzi ferroelettrici è direttamente proporzionale alla tensione applicata, possono essere utilizzati per generare forze molto più elevate a tensioni inferiori, rendendo il loro utilizzo negli attuatori elettrostatici un'opzione fattibile. - Credit: Advanced Physics Research.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: High-Power Electrostatic Actuators to Realize Artificial Muscles