Пьезоэлектрические актюаторы — это устройства, основанные на обратном пьезоэффекте. Они преобразуют электрический сигнал от внешнего источника питания в механические действия, например, в движения. К ним относятся электродвигатели, а еще пневматические приводы, которые приводят механизмы в работу с помощью энергии сжатого воздуха. Недостатком традиционных пьезоактюаторов является их низкая эффективность: энергии расходуется много, а результат воздействия минимальный.
Ученые Пермского Политеха разработали две модели новых пьезоактюаторов и выявили, что их эффективность более чем в 40 раз превышает аналогичные показатели традиционных. Благодаря этому изобретению роботы смогут стать более ловкими и чувствительными к осязанию.
Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030». На исследования выданы патенты №2803015 «Пьезоэлектрический MDS-актюатор» и №2801619 «Пьезоэлектрический CDS-актюатор» с публикацией в научном журнале «Известия РАН. Механика твердого тела».
Современные композитные (состоящие из двух и более компонентов) SMART-материалы и конструкции основаны на использовании оптических волокон, материалов с памятью формы, пьезоэлектрических и/или магнитострикционных (меняющих форму при изменении намагниченности) материалов. Они применяются в системах самодиагностики, самозалечивания повреждений и адаптации к реальным условиям эксплуатации элементов аэрокосмической техники, антиобледенения и снижения уровня шума лопастей вертолетов, локации и настройки отражающих поверхностей оптических телескопов.
Наиболее ярким примером использования пьезоэлектрических элементов, обладающих прямым и обратным пьезоэффектами, является их перспективное применение в современной робототехнике в качестве «искусственной кожи» — гибких тактильных (сенсорных) индикаторных покрытий, голосовых акустических устройств и манипуляторов (актюаторов) захвата и перемещения предметов.
Пьезоэлементы, встроенные в SMART-конструкции, выполняют сенсорные и исполнительные функции. Сенсорные основаны на прямом пьезоэффекте, то есть, передают искусственному интеллекту электронную информацию о внешней среде. Исполнительные функции совершаются над внешними объектами и работают за счет обратного пьезоэффекта. В этом случае пьезоэлектрические элементы выступают в качестве «актюаторов» – преобразователей электрических сигналов от источника питания (искусственного интеллекта) в движение для манипулирования или сборки микромасштабных объектов, микрозахватов, шаговых двигателей, систем автоматического управления радиотехники, электроники, оптики, акустики, аэрокосмической и медицинской техники.
Ученые Пермского Политеха разработали два вида новых пьезоустройств — мембранные и оболочечные актюаторы, которым дали сокращенные названия: MDS - и CDS-актютаторы соответственно. Здесь обозначение DS означает использование в этих актюаторах управляющих электродов в виде плоских или пространственных «двойных спиралей». Отличие новых актюаторов от прототипов заключается в значительно большей эффективности. Этот результат достигается за счет выбора именно спиральной формы управляющих электродов в виде «двойных спиралей», малости расстояния между витками спирали электродов и уникальной «взаимообратной» спиральной поляризации пьезослоя. Изготовление MDS - и CDS-актютаторов для широкого использования в науке и технике планируется осуществить в создаваемой учеными новой лаборатории «Пьезосенсортех» на аэрокосмическом факультете ПНИПУ.
— Разработанные нами актюаторы открывают новые перспективы расширения и совершенствования возможностей роботов. Их акустические системы — микрофоны и динамики, т.е. «слух» и «голос», будут чувствительнее и громче, а манипуляторы, т.е. «пальцы рук» — более ловкими, сильными. Кроме того, улучшится «осязание» – ощущение тепла, холода и производимого ими давления, возникающего при прикосновении, захвате и манипулировании предметом, — рассказывает профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ, доктор физико-математических наук Андрей Паньков.
Так, благодаря разработке пермских ученых, робототехника может шагнуть вперед, делая телескопы более точными, а роботов более чувствительными за счет использования новых актюаторов.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн. рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.