Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2004 № 07

Алекс Вайнштейн,

п. Октябрьский, Белгородская область

Электронный мускул — это, по существу, эластичный конденсатор.

Роман американского писателя впервые был опубликован в 1969 году. Но еще раньше, примерно в середине 60-х годов прошлого века, инженеры заговорили об экзоскелетонах. Такое название получила специальная конструкция — что-то вроде внешнего скелета, — которая надевается поверх обычной одежды и крепится ремнями к туловищу и конечностям солдата-оператора.

Главная суть — движения человека копируются механизмом и тут же усиливаются во много раз. Обладатель такого костюма обретает невиданную силу и выносливость, становится похож на фантастического Робокопа. Причем в отличие от писателя-фантаста, который полагал, что экзоскелетоны понадобятся при высадке десантов на другие планеты, современные специалисты озабочены чисто земными проблемами. По их мнению, основная сложность современной войны заключается в ведении боевых действий в городских условиях. Здесь, как показывает опыт, технике зачастую негде развернуться. Солдатам приходится самим прорываться но узким улочкам, штурмовать подъезды, взбираться по лестницам, перепрыгивать с крыши на крышу… И специалисты Агентства перспективных военных исследовательских проектов США заказали ученым и инженерам спецснаряжение, которое бы максимально облегчало солдатам боевые действия в подобных условиях.

Агентство выделило многомиллионные гранты компании «Саркос» и лаборатории инженерной психологии Калифорнийского университета в Беркли для разработки экзоскелетона, полная версия которого должна быть предъявлена к испытаниям к 2005 году. Все снаряжение должно весить не более 200 кг, включать в себя пуленепробиваемые доспехи, современные устройства связи и действовать не менее 4 часов без подзарядки.

Компания «Саркос» была выбрана не случайно. Она имеет большой опыт в разработке вспомогательных систем для роботов. Ее инженеры давно поняли, что основная проблема заключается в создании искусственных мышц — только тогда приводы экзоскелетона будут сильными, легко управляемыми и долговечными. «Именно хорошие двигатели сделали возможным появление самолетов, — говорит представитель «Саркоса» Стефан Якобсен. — С экзоскелетонами произойдет то же самое».

Специалисты из лаборатории инженерной психологии в университете Беркли пытаются заменить двигатели внутреннего сгорания, электромоторы или гидравлические приводы пневматическими системами, приводимыми в действие перекисью водорода, а еще лучше — искусственными «мышцами» на основе электроактивных полимеров.

Однако пока что никто не разработал привод, обладающий достаточной мощностью. И Йозеф Бар-Коэн, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения в Пасадине, штат Калифорния, учредил даже премию для исследовательской группы, которая сможет изготовить из электроактивных полимеров искусственную руку, способную победить человека в матче по армреслингу.

До появления таких полимеров создатели микроприводов обычно использовали пьезокерамику. Если подать электрическое напряжение на кристалл, например, сегнетовой соли, то он деформируется; если его сжать, он наэлектризуется. Несколько лет тому назад тот же Бар-Коэн вместе с коллегами пытался усовершенствовать такой привод, создав пьезокерамические диски из цирконат-титаната свинца. И хотя они под действием электрического напряжения сжимаются или расширяются всего на доли процента, на их основе уже удалось создать вибродрель, без труда справляющуюся с твердым камнем.

Однако во многих случаях инженерам требуются электроактивные материалы, линейные размеры которых могут изменяться на десятки или даже сотни процентов. И в их поисках материаловеды обратили свои взоры к полимерам. Пластики, изменяющие форму под действием электрического поля, обычно делят на две группы: ионные и электронные.

У тех и у других свои преимущества и недостатки. Ионные электроактивные полимеры включают в себя полимерные гели, полимерметаллические композиты, проводящие полимеры и углеродные нанотрубки. Их действие основано на электрохимии — движении или диффузии заряженных ионов. Причем даже небольшое напряжение приводит к значительной деформации.

К сожалению, такие материалы должны быть постоянно влажными, их приходится заключать в гибкую герметичную оболочку. Есть и другой недостаток: если напряжение превышает определенный уровень, начинается электролиз, необратимо повреждающий материал.

Электронные «мускулы» — такие, как ферроэлектрические полимеры и алектрострикционные эластомеры — приводятся в действие электрическим полем высокого напряжения. Поэтому здесь требуются особые источники питания и эффективная защита от случайного удара током. Тем не менее, именно материалы этой группы отличаются высоким быстродействием и значительными механическими усилиями.

Схема их действия довольно проста. Представьте себе конденсатор — две параллельные проводящие пластины, между которыми проложен изолятор. При подаче напряжения пластины притягиваются друг к другу и сжимают полимерный изолятор, который при этом расширяется. Тонкая пленка диэлектрического эластомера (обычно толщиной 30–60 мкм) покрывается с двух сторон мягким полимером с внедренными в него проводящими углеродными частицами. Углеродный слой, соединенный проводниками с источником питания, представляет собой эластичный электрод, который может расширяться вместе с пластиком. Из таких слоистых пластиковых пленок и изготавливают приводы нового поколения, размер которых может увеличиваться почти на 400 процентов.

Впрочем, некоторые исследователи остановили свой взгляд на электрострикционных полимерах, таких, как полиуретан или силикон. Углеводородные молекулы образуют в них полукристаллические структуры, опять-таки обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Правда, удлинение их меньше: некоторые виды мягких силиконов могут менять свою длину всего лишь на треть.

В общем, выбрав ряд перспективных материалов, исследователи сейчас занимаются разработкой конкретных устройств на их основе. Пока впереди всех японские исследователи. В Стране восходящего солнца уже можно купить аквариум с рыбками-роботами, которые плавают в воде как живые. В них нет ни одной механической детали — изгибающиеся тела рыбок изготовлены из электроактивного полимера.