Исследовательская группа под руководством профессоров Стефана Зеелеке и Пола Моцки из Саарландского университета использует универсальную пленку, ненамного толще обычной пищевой пленки, для наделения объектов новыми возможностями и одновременной экономии энергии. При использовании в текстильных изделиях эти пленки могут двигаться и прижиматься к коже, обеспечивая тактильную обратную связь, которая может улучшить игровой процесс в виртуальной реальности, позволяя игрокам ощущать текстуры, удары и другие физические ощущения. Когда тонкая полимерная пленка интегрирована в промышленную перчатку, она может реагировать на движения рук и пальцев оператора, позволяя компьютеру «понимать» определенные движения и жесты рук. Нанесенная на верхнюю часть плоского стеклянного экрана, пленка может создавать кратковременное ощущение сенсорной кнопки, переключателя или ползунка под пальцем пользователя. Легкие динамики, потребляющие значительно меньше энергии, чем их традиционные аналоги, инновационные генераторы сигналов и шумопоглощающие ткани — это лишь некоторые из прототипов, разрабатываемых экспертами по интеллектуальным материальным системам из Саарландского университета и Саарбрюккенского центра мехатроники и автоматизации (ZeMA).
Но как же им удается создавать эти пленки? «Каждая сторона пленки покрыта электропроводящим слоем», — объясняет Пол Моцки, профессор кафедры интеллектуальных материальных систем для инновационного производства в Саарландском университете, главный научный сотрудник и генеральный директор ZeMA. Когда исследователи подают электрическое напряжение на полимерную пленку, эти проводящие слои притягиваются друг к другу, сжимая полимер и вызывая его боковое расширение, тем самым увеличивая его площадь поверхности. «Варьируя приложенное электрическое поле, мы можем контролировать движение пленки, по сути, создавая легкий, но высокоэффективный актуатор», — говорит Моцки. Исследователи могут точно контролировать движение этих пленок с покрытием, известных как диэлектрические эластомеры (ДЭ), и заставлять их совершать медленные или быстрые изгибающие движения или вибрировать с желаемой частотой. Или же они могут заставлять пленку удерживать фиксированное, неподвижное положение без необходимости постоянного питания.
Используя эти электроактивные полимерные пленки, исследовательская группа разрабатывает новые системы привода (актуаторы), которыми можно управлять без дополнительных датчиков. «Каждой деформации или изменению положения пленки можно присвоить точное значение электрической емкости. Данные о емкости могут показать нам, как деформируется пленка, например, при поглаживании или постукивании пальцем. Эти диэлектрические эластомерные пленки являются самочувствительными и могут выступать в качестве собственных датчиков положения», — объясняет Пол Моцки. Данные измерений также используются для обучения моделей искусственного интеллекта, которые позволяют исследователям программировать движение пленки таким образом, чтобы она изгибалась, сохраняла желаемую форму или колебалась с требуемой частотой.
Команда исследователей из Саарбрюккена выводит эти диэлектрические эластомерные актуаторы на новый уровень, открывая целый ряд новых областей применения. Новое поколение пленок может управляться с большей точностью и вибрировать на еще более высоких частотах. Одна из целей команды — обеспечить колебание этих гибких пленок на ультразвуковых частотах. Новый проект TransDES (транзисторные структуры на основе гибких диэлектрических эластомерных систем), финансируемый правительством Саарланда через инвестиционный фонд Европейского регионального фонда (ERDF), также направлен на разработку эластомерных схем для высоковольтных применений. Печатные платы (PCB) используются в большинстве электрических устройств. Технология, управляющая этими устройствами, будь то блендер или смартфон, обычно припаивается к плоским, жестким печатным платам. Исследовательская группа в Саарбрюккене пытается разработать легкие, гибкие печатные платы, которые в будущем могут использоваться в качестве недорогой, гибкой альтернативы обычным печатным платам. Разрабатываемые в Саарбрюкене гибкие печатные платы будут также оснащены встроенными миниатюрными исполнительными механизмами и собственными датчиками.
Проект TransDES — это результат сотрудничества команды Пола Моцки из ZeMA и команды профессора Джона Хеппе из htw saar (Университет прикладных наук). Разрабатываемая в Саарланде технология уникальна в мире и включает в себя создание эластомерных пленок с новыми электродными слоями.
До настоящего времени электропроводящие слои изготавливались путем нанесения аморфного углеродного порошка («сажи») на верхнюю и нижнюю стороны полимерной пленки методом трафаретной печати. Однако электрическое сопротивление слоя сажи составляет около 10 000 Ом, что слишком высоко, если пленка будет вибрировать в ультразвуковом диапазоне частот.
Заменив слой сажи сверхтонким, более проводящим металлическим покрытием, исследователи стремятся создать актуатор на основе диэлектрического эластомера, способный включаться и выключаться на сверхвысоких скоростях. «Это позволит нам добиться еще лучших характеристик от пленки», — объясняет аспирант Себастьян Гратц-Келли. «Даже на очень высоких частотах мы можем контролировать всю поверхность пленки, а не только ее части». Но новое сверхтонкое металлическое покрытие также означает, что пленочный актуатор более энергоэффективен, а потери мощности ниже, отчасти благодаря уменьшенному контактному сопротивлению между проводом и пленкой. «И мы используем специальную лазерную технологию, которая позволяет нам достичь гораздо меньшего размера структуры внутри покрытия», — объясняет Гратц-Келли. «Раньше, когда мы использовали трафаретную печать, расстояние между электродами составляло около одного сантиметра. Теперь зазор между электродами составляет всего несколько микрометров. И это позволяет нам проектировать гибкие эластомерные схемы», — добавляет профессор Моцки.
Проблема заключается в том, что вся пленка должна подвергаться значительному растяжению, но деформация пленки затруднена новым металлическим покрытием. Именно здесь вступает в дело команда Джона Хеппе. Хеппе, профессор физических сенсорных технологий и мехатроники в htw saar, также возглавляет исследовательскую группу в ZeMA. Два университета работают вместе над тем, чтобы воплотить свои открытия в практические промышленные и коммерческие решения. Чтобы сбалансировать свойства твердого металлического проводящего слоя со свойствами гибкой полимерной подложки, команда Хеппе использует специальный процесс нанесения металлического слоя на эластомер. «Мы используем метод нанесения материала, известный как распыление. Проводящий слой, который мы наносим на поверхность эластомера, имеет толщину всего десять нанометров — более чем в тысячу раз тоньше человеческого волоса», — говорит Марио Черино, научный сотрудник команды Джона Хеппе.
«Хитрость» команды заключается в растягивании эластомера перед нанесением сверхтонкого металлического слоя. Любой, кто когда-либо приклеивал скотч к надутому воздушному шару, знает этот эффект. Когда воздух выходит из шара, полоска скотча сминается. То же самое происходит с эластомерной пленкой. Когда эластомер расслабляется, металлический слой сжимается, образуя складки. «Благодаря этому мы достигаем сопротивления от 50 до 100 Ом на площади в один квадратный сантиметр, что значительно ниже, чем раньше», — говорит Марио Черино.
В настоящее время исследователи используют пленки с металлическим покрытием для разработки энергоэффективных и экономичных кремниевых транзисторов. Транзисторы — это электронные компоненты, которые можно использовать для включения и выключения электрических напряжений и сигналов, а также для их усиления, но в данном случае команда хочет разработать пленочные транзисторы для переключения высоких напряжений. «Снижая электрическое сопротивление, мы можем увеличить ток, подобно тому как кухонный кран пропускает больше воды, чем шире он открыт. Это позволяет нам достигать переключения высоких напряжений с чрезвычайно короткими циклами, что можно использовать для управления клапанами, насосами или громкоговорителями», — объясняет Марио Черино. «Мы используем довольно специфическое свойство этих систем», — объясняет профессор Джон Хеппе. «Если пленка с металлическим покрытием растягивается сильнее, чем во время напыления, в слое электрода появляются трещины, что приводит к значительному увеличению электрического сопротивления. Таким образом, если мы растянем пленку, появятся трещины. Если мы дадим пленке расслабиться, трещины снова закроются, и морщинистая структура вернется». «Это позволяет нам переходить от очень низких сопротивлений к очень высоким, сравнимым с использованием транзистора в качестве электрического переключателя», — объясняет профессор Хеппе.
Демонстрация технологии показывает новый сенсорный элемент с металлизированной пленкой на текстильном браслете. Эта носимая сенсорная панель представляет собой чувствительную к прикосновениям тканевую поверхность, способную распознавать нарисованные на ней фигуры. Когда человек проводит пальцем по этой «умной» ткани, регистрируются сила нажатия и направление движения. Затем интегрированные передовые алгоритмы машинного обучения позволяют системе распознавать нарисованные буквы или узоры.
Специалисты из Саарбрюккена, занимающиеся разработкой интеллектуальных материальных систем, также представят другие инновационные разработки, использующие эти диэлектрические эластомеры со своими собственными датчиками, такие как интеллектуальный текстиль и исполнительные механизмы, обеспечивающие тактильную обратную связь, энергоэффективные клапаны и насосы, а также высокопроизводительные исполнительные механизмы.
Правительство земли Саар финансирует проект TransDES примерно на 500 000 евро из государственных средств и Европейского фонда регионального развития (ERDF).
Ознакомьтесь с последней публикацией команды: https://doi.org/10.3390/ma17235993
Введение:
Технология диэлектрических эластомеров развивается благодаря исследованиям аспирантов, проводящих научные работы в рамках своих докторских диссертаций под руководством профессоров Штефана Зеелеке, Пола Моцки и Джона Хеппе. Результаты исследований опубликованы в виде статей в различных научных журналах. Исследования также получили поддержку из многочисленных источников. Финансирование ЕС было предоставлено в рамках исследовательского гранта Марии Кюри, а финансирование от Немецкого фонда исследований (DFG) — в рамках приоритетной программы DFG SPP KOMMMA. Правительство земли Саар оказало финансовую поддержку в рамках проектов FEDER iSMAT и Multi-Immerse, а ME Saar (Ассоциация металлургической и электротехнической промышленности Саара) профинансировала докторскую исследовательскую программу. Для облегчения внедрения своей технологии интеллектуальных материалов в коммерческий и промышленный секторы исследователи создали компанию mateligent GmbH, которая также будет представлена на том же стенде на Ганноверской ярмарке в этом году.
