Flexoelectriciteit in Zachte Elastomeren Benutten om Robotische Mobiliteit Te Verbeteren

Sommige materialen in de natuur kunnen significant in grootte en vorm veranderen — of deformereren — zoals een rubberband wanneer een elektrisch signaal wordt gestuurd. De materialen fungeren als een energieconverter die deformeert wanneer een elektrisch signaal doorheen gestuurd wordt of elektriciteit levert wanneer gemanipuleerd. Dit heet piezo-electriciteit en is nuttig in het creëren van sensoren en laser elektronica, onder diverse andere eindgebruiken. Deze van nature voorkomende materialen zijn zeldzaam en bestaan uit stijve kristallijne structuren die vaak toxisch zijn — drie duidelijke nadelen voor menselijke toepassingen.

Kunstmatige polymeren bieden stappen in de richting van het verlichten van deze pijnpunten door materiaalschaarste te elimineren en zachte polymeren te creëren die buigen en rekken kunnen — bekend als zachte elastomeren — maar eerder ontbraken die zachte elastomeren significante piezo-elektrische attributen.

Onderzoekers hebben "reusachtige flexoelectriciteit" in zachte elastomeren gedemonstreerd die de bewegingsbereik van robots kan verbeteren en zelf-aandrijvende pacemakers een echte mogelijkheid kunnen maken. Deze theorie engineer een verbinding tussen elektriciteit en mechanische beweging in zacht, rubberachtige materialen. Terwijl sommige polymeren zwak piezo-elektrisch zijn, zijn er geen zachte, rubberachtige materialen die piezo-elektrisch zijn. De term voor deze multifunctionele zachte elastomeren met verhoogde capaciteit is "reusachtige flexoelectriciteit"; met andere woorden, het verbeteren van flexoelektrische prestaties in zachte materialen.

In de meeste zachte rubber materialen is flexoelectriciteit tamelijk zwak maar door de ketens in eenheidscellen op moleculair niveau te herrangschikken, toont de theorie aan dat zachte elastomeren flexoelectriciteit van bijna 10⁴ keer het conventionele bedrag kunnen bereiken. Mens-achtige robots gemaakt met zachte elastomeren die verhoogde flexoelektrische eigenschappen bevatten, zouden capabel zijn van een groter bewegingsbereik om fysieke taken uit te voeren. Pacemakers geïmplanteerd in menselijke harten en lithium batterijen utilizierend, zouden in plaats daarvan zelf-aangedreven kunnen worden aangezien natuurlijke beweging elektriciteit genereert.

De mechanica van zachte elastomeren die elektriciteit genereren en worden gemanipuleerd door elektrische signalen repliceert een vergelijkbare functie waargenomen in menselijke oren. Geluiden raken het trommelvlies, wat dan trilt en elektriciteitssignalen naar de hersenen stuurt, waar ze geïnterpreteerd worden. In dit geval kan beweging zachte elastomeren manipuleren en elektriciteit genereren om een apparaat op zichzelf aan te drijven. Dit proces van zelf-gegenereerde stroom door beweging is een stap op van een typische batterij.

Inspanningen om het flexoelectrische effect in zachte elastomeren te verbeteren, zullen het focus zijn van verder onderzoek.