Американские физики сконструировали прототипы мягкого электрогидравлического привода трех конструкций — шарнир, полумесяц и полукруг, которые можно создать самостоятельно для желаемых двигающихся поверхностей. В качестве примера использования ученые оживили страницы книги взмахами крыльев бабочки и колебаниями лепестков цветка. Работа представлена на конференции Designing Interactive Systems Conference 2021.
Электрогидравлический двигательный механизм всегда был среди нас — с его помощью сокращается сердце и работают легкие. Электрогидравлические приводы достаточно компактные и бесшумные, а также обладают высокой скоростью действия. За счет этого венерина мухоловка способна ловить насекомых (недавно ученые научились управлять этим с помощью электродов), а рыба фугу быстро надуваться при возникновении опасности. Электрогидравлические приводы уже давно используются в аэрокосмической промышленности, но с точки зрения механизма для интерфейса их начали рассматривать совсем недавно. А потому удовлетворительных прототипов, которые не были бы медленными, шумными и негибкими, пока что нет.
Три года назад американские исследователи представили мягкий электрогидравлический привод, способный поднимать груз с массой до четырех килограммов. А в этом году физик Пурненду (Purnendu) совместно с коллегами из колорадского университета в Боулдере разработал модели гибких электрогидравлических приводов трех типов геометрии: шарнир, полукруг и полумесяц. Для изготовления приводов ученые использовали мешок из полиэтилентерефталата (PET) с диэлектрической жидкостью (силиконовая смазка), одна часть которого помещена между двумя гибкими углеродными электродами, а остальная часть закреплена к двигающейся детали. В общем случае в конструкции присутствовали жесткий слой, ограничивающий деформацию мешка, и тонкий диэлектрический слой между электродом и жестким слоем. Однако для геометрии типа полумесяц и полукруг эти части были необязательными.
При создании разности потенциалов между двумя электродами они сдавливают мешок и жидкость перетекает в остальную часть мешка, тем самым двигая деталь. Разность потенциалов в этом устройстве была достаточно большой — до 10 киловольт. С ростом напряжения максимальный угол подъема изменялся монотонно, при этом форма полумесяца изгибалась на наибольший угол в 60 градусов, однако делала это скачкообразно, тогда как для шарнирной конструкции максимальный угол составил примерно 25 градусов с более равномерным распределением. Шарнирная конструкция привода с объемом жидкости в три миллилитра в пределе могла поднять 13 грамм на один и тот же угол.
Чтобы проверить работоспособность своих прототипов, ученые создали несколько моделей — бабочку, цветок, голову Микки Мауса, смартфон, оригами журавля, коробку и миску. Для первых трех моделей было решено использовать конструкцию полумесяца, для смартфона — полукруг, а для последних трех — шарнирную. Компактный дизайн конструкции полумесяца позволяет использовать их для «оживления» картинок в книге. Все фигуры двигались, однако стоит учесть, что это лишь начало разработки и форма будет совершенствоваться для более живого движения. Миска с таким приводом может изменять свою глубину, подстраиваясь под нужды владельца.
Из ограничений и слабых сторон новых электрогидравлических приводов можно выделить высокое рабочее напряжение — в будущем ученые планируют подобрать материалы диэлектрической жидкости и формы полимерного мешка для снижения напряжения. Также в будущих работах авторы рассмотрят сенсорную сторону разработки — чтобы фигуры реагировали на внешние возбудители, а также реализуют полностью автоматический процесс сборки.
Механические приводы в последнее время активно развиваются учеными — в основном благодаря робототехнике. На сегодняшний день существует огромное количество устройств, имитирующих передвижение животных. Два года назад американские инженеры представили летающую робопчелу, робогусеницу и робомедузу.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение