1960 년대 중반 이후 Bar-Cohen 은 끊임없이 변화하는 국제 EAP 연구원의 비공식 코디네이터였다. 그 초기로 돌아가자, "내가 과학 논문에서 읽은 전기 활성 중합체 재료는 광고에서 선전하는 것만큼 신기하지 않다." 그는 교활하게 웃고 있다고 회상했다. "제가 NASA 로부터 이 기술을 연구하기 위한 자금을 받았을 때, 영감을 얻기 위해 누가 이 분야에서 일하는지 알아내야 했습니다. (존 F. 케네디, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 예술명언)." 몇 년 만에 Bar-Cohen 은 이 주제에 대한 첫 번째 기술 세미나를 개최하고, EAP 문자 메시지를 발행하고, EAP 웹 사이트를 게시하고, 이 신기술에 대해 두 편의 작품을 쓸 수 있는 충분한 지식을 확보했습니다.

제트 추진 연구소 (JPL) 마당에 있는 낮은 연구빌딩에는 다양한 액추에이터와 테스트 장치의 원형이 진열되어 있었고, 바 코언은 그가 이미 잘 알고 있던 이 분야의 역사를 되돌아보기 시작했다. 그는 이렇게 말합니다. "모터가 많은 어플리케이션에서 너무 무겁기 때문에 사람들은 모터를 사용하지 않고 물체를 이동할 수 있는 방법을 오랫동안 찾고 있습니다. EPAs 가 등장하기 전에 모터의 표준 대체 기술은 압전 세라믹이었는데, 이는 한때 연구의 핫스팟이었다. "

압전 재료에서 기계적 응력은 결정체 극화를 초래하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 이 물질을 전류로 자극하면 변형됩니다. 전기는 그 모양을 바꿔 생산할 수 있다. 바코언은 실험대에서 연한 회색의 작은 판을 집어 들고 "이 판은 PZT (티타늄산 납) 로 만들어졌다" 고 말했다. 그는 전류가 압전 PZT 를 수축시키거나 팽창시켜 진폭이 총 길이의 1% 미만이라고 설명했다. 변형은 작지만 유용합니다.

옆방의 한 방에서 Bar-Cohen 은 JPL 의 동료 및 Cybersonics 의 엔지니어와 함께 개발한 PZT 보드에 의해 구동되는 1 피트 길이의 충격 드릴을 선보였습니다. 그가 말하길, "이 원통에는 압전판 더미가 있습니다. AC 가 활성화되면 이 널빤지는 초음속으로 드릴을 치고, 드릴은 고속으로 위아래로 뛰면서 단단한 암석으로 뚫고 들어간다. " 다른 쪽에는 석두 더미가 있어 깊은 구멍이 뚫렸다.

예를 들어 드릴은 압력 세라믹으로 액츄에이터를 만드는 효과를 보여 주는데, 이것은 정말 인상적이다. 그러나, 많은 응용에서, 전기 활성 물질의 팽창 범위가 0.0% 를 초과해야 한다.

중합체 액정 재료

고분자 액정은 과학자들의 마음속에 실리콘의 이상적인 대체품이다. 과거에는 많은 마이크로 R&D 작업이 실리콘 재질을 기반으로 수행되었습니다. 그리고 점점 더 많은 과학자들은 고분자 액정 폴리머의 유연성이 실리콘보다 낫다고 생각한다. LCD 중합체를 정밀하게 절단한 후 처리한 샘플은 온도 변화, 자외선 조사 등 특정 외부 자극에 상응하는 반응을 보이며 실리콘보다 더 민감하다. 또한 LCD 중합체의 제조 비용은 실리콘 재질보다 낮고 가공 공정은 더 간단합니다.

실리콘으로 만든 의족보다 인공근육이 더 신기하다. 1980 년대에 과학자들은 고분자 LCD 재료의 분자가 전류의 작용으로 왜곡될 수 있다는 사실을 발견하여 물질 자체가 수축되어 구부러지는 것을 발견했습니다. 이는 인체 근육과 매우 유사하기 때문에 과학자들은 고분자 LCD 재료로' 인공 근육' 을 만드는 방법을 연구하기 시작했다. 전통적인 로봇은 관절을 제외하고는 자유롭게 움직일 수 없다. 만약 그들이' 인공근육' 을 가지고 있다면, 그들의 사지는 더욱 유연하고 발달할 것이다.

나일론 필라멘트 소재

나일론 원사의 이 예상치 못한 기능은 이번 주 미국 잡지' 과학' 에 발표됐다. 이 연구의 참가자들은 달라스 텍사스 대학에서 근무하는 브라질 과학자다.

이 연구는 로이 보먼 (Roy Baughman) 이 이끄는 것으로, 이 분야에서 세계에 가장 큰 기여를 한 과학자 중 한 명이다. 동시에, 다른 두 과학자 M? 니카 용거 드안드라드와 말조 리마는 미국 관련 기관에서 박사후 과정을 마친 후 이 새로운 연구에 가입했다.

연구에 따르면 인공 근육 재료를 만드는 가장 중요한 특징은 이 물질이 대량의 에너지를 저장하는 능력을 가지고 있으며 동시에 같은 방식으로 근육 활동을 유지한다는 것이다.

또 다른 중요한 지표는 이 재료의 가역성이다. 한 물질이 수천 번의 에너지 저장과 방출을 거쳐 성능을 잃지 않는 한 근육 활동의 강한 수축성을 유지할 수 없다는 연구결과가 나왔기 때문이다.

이 어려움을 극복하는 과정에서 과학자들은 실제로 인공근육 실험을 위해 많은 재료를 사용했다. 처음에 과학자들은 탄소 나노튜브를 이용하여 인공 근육 실험을 했다. 그들은 재료를 가열하여 실제 근육처럼 무거운 물건을 들어 올리지만, 많은 실험 재료의 실험 결과는 이상적이지 않다.

마르조 리마 (Márcio Lima) 는 기자들에게 이 수수께끼를 해결하는 관건은 일부 섬유 재질의 열팽창 계수가 음수라는 것을 발견했다. 이는 가열 및 냉각 과정에서 재료의 온도 변화를 잘 제어하고 적용한다면 재료의 운동 과정에서 재료의 가역성을 정확하게 유지할 수 있다는 것이다.

그는 "섬유를 감아 스프링이나 코일 모양을 형성하면 사용 효과를 확대할 수 있다는 것을 발견했다" 고 말했다. 이후 우리는 더 싼 섬유 재료를 많이 실험해 좋은 효과를 거두었다. 나일론 실크가 그 중 하나입니다. 클릭합니다

이 소재의 가장 큰 장점은 가격이 저렴하다는 것이다. 왜냐하면 이 나일론 실크는 한 근당 15 레알만 하기 때문이다. 그리고 실험에서 이 나일론 실크로 만든 인공근육은 섭씨 100 도의 온도 변화에서 인체 근육보다 84 배 강한 하중 효과를 보였다.

앞으로 이 신기술은 로봇 제조, 생물의학 공학 (예: 하중이 강한 의족 제조 등) 에 적용될 것으로 보인다. ), 섬유 산업에서도. 예를 들어, 추위와 무더운 날씨에는 옷에서 이런 나일론 기술로 만든' 통기구멍' 을 켜거나 꺼서 온도를 조절하는 목적을 달성할 수 있다.

고분자 재료

SRI 팀의 리더인 론 페린 (Ron Pelrine) 은 "일본과 일본 마이크로기계 프로그램 계약을 체결한 후 SRI 국제는 1992 부터 인공근육을 연구하기 시작했다" 고 말했다. 그는 예전에 물리학자였고, 후에 기계 엔지니어가 되었다. 일본 관리들은 새로운 마이크로드라이브 기술을 찾고 있다. SRI 연구원 몇 명이 역학, 스트로크 (선형 변위) 및 변형 (단위 길이 또는 단위 면적당 변위) 면에서 천연 근육과 비슷한 특성을 가진 구동 재질을 찾기 시작했습니다.

우리는 유망한 활성화 기술을 많이 보았다. "라고 Pelrine 은 회상했다. 그러나, 그들은 결국 전기 신축을 선택했다.

중합체, 로거스 대학의 제리 셰인벨은 당시 이 재료를 연구하고 있었다. 이 중합체의 탄화수소 분자는 반격자로 배열되어 있는데, 이 결정체 배열은 압압압과 비슷한 특성을 가지고 있다.

전기장에 있을 때 폴리우레탄과 같은 모든 절연 플라스틱은 전력선 방향으로 수축되어 전력선에 수직인 방향으로 팽창합니다. 이런 현상은 전기팽창과는 달리 맥스웰 응력이라고 한다. Pelrine 은 "이런 현상은 이미 알려졌지만, 줄곧 매우 번거로운 효과로 여겨졌다" 고 말했다.

그는 폴리우레탄보다 더 부드러운 중합체가 정전기 중력 하에서 더 쉽게 압착되기 때문에 더 큰 기계적 변형을 제공할 수 있다는 것을 깨달았다. SRI 과학자들은 연실리콘 테스트를 통해 10- 15% 사이에서 그 변이가 매우 만족스럽다는 것을 빠르게 증명했다. 추가 연구를 통해 이 수치는 20-30% 로 증가할 수 있다. 이 새로운 액츄에이터 재질을 구별하기 위해 실리콘 수지와 기타 부드러운 재질의 이름은 전기 절연 탄성체 (전기장 활성화 중합체라고도 함) 로 지정됩니다. ) 을 참조하십시오

이 팀은 몇 가지 유망한 중합체 재질을 파악한 후 1990 의 나머지 대부분을 위해 특정 장비 응용 프로그램의 구체적인 세부 사항을 개발하는 데 주력했습니다. 당시 SRI 연구팀의 새로운 외부 자금 지원 및 연구 방향은 국방고급연구계획국 (DARPA) 과 해군연구사무소에서 제공했으며, 그 주관의 주된 관심사는 소형 정찰로봇과 광발생기를 포함한 군사적 목적으로 이 기술을 사용하는 것이었다.

고무가 더 큰 장력을 보이기 시작하면서 엔지니어들은 전극도 팽창해야 한다는 것을 깨달았다. 일반 금속 전극은 분리체가 아니면 연장할 수 없다. Pelrine 은 "처음에는 이 문제에 대해 걱정할 필요가 없었다. 그들이 연구한 자료는 약 1% 에 불과하기 때문이다" 고 말했다. 마지막으로 연구팀은 탄성 기질에 탄소 입자를 채우는 유연한 전극을 개발했다. 그는 "전극과 플라스틱이 함께 팽창하기 때문에 전체 활성 영역 사이에 전기장을 유지할 수 있다" 고 지적했다. SRI 국제는 이 개념에 특허를 출원했는데, 이는 나중에 인공근육 기술의 관건 중 하나이다.

Pelrine 이 급히 우리에게 보여 주자, 그는 15 cm 의 네모난 액자처럼 보이는 것을 꺼냈고, 양쪽의 플라스틱 집게는 팽창으로 팽팽해졌다. 봐라, 이 중합체 재료는 매우 연장성이 있어. "라고 그가 말했다. 그리고 한 손가락을 투명막에 눌렀다. "사실 양면 접착제인데, 큰 두루마리의 가격이 매우 싸다." 중간 집게의 양쪽에는 검은색과 니켈 크기의 전극이 있고, 전극 사이에는 도선으로 연결되어 있다.

페린은 전원 공급 장치의 컨트롤 손잡이를 비틀어 열었다. 이에 따라 검은색 원형 전극 쌍이 팽창하기 시작하면서 지름이 1/4 증가했다. 그가 손잡이를 원래의 위치로 돌리자 전극은 즉시 원래의 상태로 수축했다. 그는 입을 벌리고 미소를 지으며 작업을 여러 번 반복하며 이렇게 설명했다. "기본적으로 우리의 설비는 콘덴서, 즉 두 개의 평행 충전판이다. 그들 사이에는 전기 절연이 있다. 전원이 켜지면 양수와 마이너스 전하가 각각 상대 전극에 축적된다. 전극판이 서로 끌어당겨 중간에 있는 절연 중합체를 압착하면 중합체의 면적이 넓어진다. " 몇 가지 유망한 자료가 확인되었지만 실제 장비에서 수용 가능한 성능을 달성하는 것은 어려운 일입니다. 그러나, 이 팀이 1999 에서 얻은 일련의 돌파구는 미국 정부와 공업계의 큰 흥미를 불러일으켰다.

관찰을 통해 전기가 활성화되기 전에 고분자 물질을 미리 늘이면 성능이 크게 향상될 것으로 나타났다. 팀의 또 다른 멤버, 엔지니어인 로이 코른블루 (Roy Kornbluh) 는 "달콤한 점이 있다는 것을 알아차리기 시작했고, 그러면 최상의 성능을 얻을 수 있다" 고 회상했다. 정확한 원인을 아는 사람은 없지만, 사전 인장 중합체는 관통 강도의 전극 간 전류가 통과하는 저항을 100 배로 증가시킬 수 있다. " 전기 활성화를 통한 변형률 증가 폭은 비슷하다. 원인은 아직 분명하지 않지만 SRI 의 화학자인 페 아이스크림은 "사전 스트레칭은 평면 팽창 방향을 따라 분자 사슬을 배치하여 이 방향으로 더 어렵게 만들 수 있다" 고 말했다. 사전 인장 효과를 얻기 위해 SRI 의 액추에이터 장치는 외부 지지 구조를 사용합니다.

두 번째 주요 발견은 연구원들이 "우리가 알고 있는 모든 확장 가능한 물질을 테스트하는데, 이를 에디슨 방법이라고 부른다." 라고 Pelrine 은 기쁘게 우리에게 말했다. 전등 필라멘트를 만들기에 적합한 재료를 찾기 위해 토마스 에디슨은 각종 재료를 체계적으로 실험했다. ) "우리 집에서는 내가 비틀거리는 아이가 여기저기 물건을 가져가는 것을 막기 위해 고분자 재료로 만든 자물쇠로 냉장고를 잠갔다. 아이가 자라면서, 우리는 더 이상 아무것도 잠글 필요가 없기 때문에, 우리는 자물쇠를 가져갔다. 그것은 확장 가능한 재료로 만들어졌기 때문에, 나는 그것의 응변 성능을 테스트하기로 결정했다. 놀랍게도, 그 성능은 매우 뛰어나다. " 잠금의 출처를 추적하고 구성을 분석하는 것은 어렵지 않습니다. 마지막으로, 이 신비로운 중합체는 "폴리아크릴산 고무로, 큰 변이와 에너지 출력을 제공하며, 선형 변이는 최대 380% 에 달한다" 고 합니다. " 이 두 가지 발전으로 우리는 전기 절연 고무를 실제 액추에이터 장비에 적용하기 시작할 수 있게 되었다. 연구원은 말했다.

천연 고무 소재

SRI 그룹의 일반적인 연구 방법은 많은 디자인, 심지어 다른 중합체까지 포함하여 비교적 유연합니다. 페아이스크림이 말했듯이, "이것은 재료가 아니라 장비입니다." Pelrine 에 따르면 이 팀은 아크릴 수지와 실리콘 수지 등 다양한 중합체로 활성화 효과를 낼 수 있다고 합니다. 천연 고무조차도 일정한 효과를 낼 수 있다. 예를 들어 외부 공간의 극한 온도 환경에서 인공근육은 실리콘 플라스틱을 사용하는 것이 가장 좋다. 이 재료는 섭씨-100 도의 진공 환경에서 작동할 수 있다는 것이 증명되었다. 더 큰 출력력이 필요한 응용 프로그램의 경우 더 많은 중합체 재질이 필요하거나 여러 장치를 연결 또는 병렬로 연결할 수 있습니다.

SRI 의 회원인 폰 구겐버그는 "전기 절연 고무는 재고에서 살 수 있고, 우리는 장치당 최대 몇 평방피트의 재료만 사용하기 때문에 액추에이터는 특히 대규모 생산에 매우 저렴할 것" 이라고 추산했다.

전기 절연 고무 액추에이터를 활성화하는 데 사용되는 전압은 상대적으로 높습니다 (일반적으로 1 ~ 5 kV). 따라서 이 장치는 매우 낮은 전류 (일반적으로 고전압은 낮은 전류를 의미) 에서 작동할 수 있습니다. 액츄에이터는 또한 더 가늘고 저렴한 와이어를 사용할 수 있으며 상대적으로 차갑게 유지할 수 있습니다. Pelrine 은 "전기장이 멈추고 전류가 틈새를 통과할 때 더 높은 전압은 더 큰 팽창과 응력을 발생시킨다" 고 말했다.

더 큰 문제는 모바일 장치가 고전압을 사용한다는 것이다. 배터리는 보통 저전압이기 때문에 추가 변압기 코일이 필요하다는 것이다. 또한 펜실베이니아 주립대에서 장계명과 그의 팀은 전기 신축 중합체와 다른 물질을 결합하여 화합물을 형성하여 활성화 전압을 낮추려고 노력해 왔다. 전기 절연 고무의 내구성에 대해 질문을 받았을 때, 폰 구겐버그는 더 많은 연구가 필요하다는 것을 인정하고' 합리적인 조짐' 을 확인했다. 즉, 그들은 상업적 사용을 위해 충분한 시간을 계속 일해야 한다는 것이다. "예를 들어, 고객이 운영하는 장비는 5- 10% 의 변형, 루프 10 만 번을 생성할 수 있습니다." 또 다른 장치는 1 만 번의 루프 횟수로 50% 의 면적 변형을 생성할 수 있습니다. 인공 근육 장비는 해당 전기 모터보다 훨씬 가볍지만 (중합체 자체의 밀도는 물과 유사) SRI 는 필요한 외부 사전 변형 장치를 줄여 품질을 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 2004 년 5 월 27 일 일본 요코하마 국립대학교 와타나베 정방 교수가 이끄는 연구팀은 건전지로 구동할 수 있는 새로운 인공근육을 개발해 소형 기계와 소형 로봇의 관절에 적합하다. 이런 인공근육의 모양은 껌처럼 길이가 약 5cm, 너비 1 cm, 두께가 수백 미크론이다. 그것은 전압의 변화에 따라 팽창하고 수축하는 고분자 재료와 휘발성이 없는 이온 액체로 만들어져 정상 환경에서 오랫동안 사용할 수 있다. 이런 인공근육을 마이크로 기계의 관절과 구동 부품에 설치하면 인간 관절처럼 작용할 수 있다.