211service.com
Bewegende papieren onderdelen voor robots
Onderzoekers van de Inha University in Zuid-Korea hebben aangetoond dat cellulose, het hoofdbestanddeel van papier, kan buigen als reactie op elektriciteit. De behandelde cellulose is lichtgewicht, goedkoop en heeft een laag stroomverbruik in vergelijking met vergelijkbare elektrisch actieve materialen.
Deze dunne film van met goud bedekte cellulose flappen als libellenvleugels in reactie op een elektrische stroom. Het materiaal, elektroactief papier genaamd, kan dienen als vleugels voor kleine vliegende robots. (Met dank aan Zoubeida Ounaies, Texas A&M University.)
De Koreaanse onderzoekers werken nu samen met NASA aan de ontwikkeling van draadloos aangedreven vliegende voertuigen ter grootte van insecten met klapperende papieren vleugels. Dergelijke voertuigen kunnen naar gebieden vliegen die onveilig zijn voor mensen en testen op gevaarlijke gassen - of het oppervlak van Mars vanuit de lucht inspecteren.
[ Klik hier voor afbeeldingen van dit verplaatsbare papier.]
De onderzoekers, onder leiding van Jaehwan Kim , universitair hoofddocent aan de universiteit, maakte de elektrisch actieve cellulose door papierpulp op te lossen, er vellen van te maken en het te bekleden met een laag goud als elektrode. Sommige delen van de cellulosefilm zijn zeer geordend, terwijl in andere gebieden de cellulosestrengen verward zijn als spaghetti. De beweging van ionen door het papier - en de beweging van cellulosestrengen zelf, die negatief en positief geladen uiteinden hebben - zorgt ervoor dat het papier buigt als reactie op een elektrische stroom. De buiging wordt aangedreven door de geordende gebieden, maar vrije ruimte in ongeordende gebieden zorgt ervoor dat ionen vrijer kunnen stromen en draagt bij aan het vermogen van het papier om te vervormen.
Materialen die bewegen als reactie op elektrische stroom worden piëzo-elektrische materialen genoemd. De cellulose van Kim behoort tot een nieuwe klasse van deze materialen, elektroactieve polymeren genaamd, die in de wetenschappelijke gemeenschap voor opwinding hebben gezorgd vanwege hun mogelijke toepassingen op vele gebieden: kunstmatige spieren, chemische sensoren, visuele displays, de bewegende delen van robots en batterijen.
De waarde van elektrisch actief papier is dat het licht van gewicht is en een hoge doorbuiging [beweging] heeft bij lage spanning in vergelijking met traditionele elektroactieve polymeren, zegt Sang Choi, senior onderzoekswetenschapper bij het NASA Langley Research Center. Wanneer een kleine spanning op het papier van Kim wordt toegepast, kan het een relatief grote afstand afleggen; in experimenten bijvoorbeeld, werd de punt van een 30 millimeter lange strook elektroactief papier 4,2 millimeter verplaatst. Inderdaad, de sterkte van het elektrische veld dat nodig is om de punt van het papier tot zijn maximale verplaatsing te bewegen, is één tot twee ordes van grootte minder dan vereist is voor andere elektroactieve polymeren. En het papier kan snel van vorm veranderen en wel eens per 0,06 seconden heen en weer bewegen.
NASA's Choi is geïnteresseerd in het materiaal van Kim omdat het, vergeleken met conventionele piëzo-elektrische materialen en andere elektroactieve polymeren, erg licht is en weinig stroom nodig heeft. Samen ontwerpen Choi en Kim een klein vliegend voertuig met vleugels van cellulose die worden aangedreven door omgevingsmicrogolven. Choi zegt dat NASA verwacht dat dergelijke robots een belangrijke rol zullen spelen in haar verkenningsmissies op de lange termijn. Kleine robots met bewegende delen van papier of ander materiaal kunnen bijvoorbeeld laag over het oppervlak van Mars vliegen om de topologie te bewaken. Toch is het niet duidelijk of cellulose bestand is tegen de extreme omstandigheden in de ruimte.
De cellulosefilms die Kim tot nu toe heeft gemaakt, kunnen niet veel kracht uitoefenen – een must voor robotica-toepassingen. Dus hij werkt met Zoubeida Ounaies , assistent-professor lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Texas A&M University, om deze slimme cellulose te versterken. Ounaies voegt koolstofnanobuisjes, gewaardeerd om hun hoge elektrische geleidbaarheid en sterkte, toe aan opgeloste cellulose. Het mengsel wordt nog bestudeerd, maar het idee is dat films van cellulosestrengen die innig verstrengeld zijn met koolstofnanobuisjes meer kracht kunnen uitoefenen dan pure cellulosefilms.
Cellulose is goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar - Kims film kan zelfs worden gemaakt door in de handel verkrijgbaar papier te behandelen. Ter vergelijking: het meest gebruikte elektrisch actieve polymeer, polyaniline, kost $ 68 per gram, zegt Victoria Finkenstadt , een onderzoekschemicus bij de USDA Agricultural Research Service. Hoewel de robuustheid en sterkte van cellulose nog moeten worden aangetoond, kan het ook een goed materiaal blijken te zijn voor de kunstmatige spieren die in robotica worden gebruikt, zegt Finkenstadt.
Deze materialen kunnen ons [robot] voortbeweging geven waar we nooit van hebben gedroomd, zegt Kwang J. Kim , universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Nevada in Reno (die niet betrokken was bij het cellulose-onderzoek). Maar Kim zegt dat het veld van elektrisch actieve polymeren nog jong is en dat onderzoekers nog steeds toepassingen ontwikkelen. Over een paar jaar komen er interessante technologieën op de markt, voorspelt hij.