Две модели новых высокоэффективных пьезоактюаторов — устройств, преобразующих внешний электрический сигнал в механические действия, разработали ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 5 октября сообщает пресс-служба вуза.

Традиционные пьезоактюаторы обладают низкой эффективностью, при которой на получение минимальной реакции расходуется много энергии, тогда как у моделей ученых ПНИПУ эффективность более чем в 40 раз выше. Благодаря этому можно создавать более ловких и обладающих повышенной чувствительностью осязания роботов.

На разработанные устройства уже получены патенты № 2803015 «Пьезоэлектрический MDS-актюатор» и № 2801619 «Пьезоэлектрический CDS-актюатор». Результаты исследования разработчики представили в статье журнала «Известия РАН. Механика твердого тела».

Современные композитные SMART-материалы, которые значительно изменяют свои характеристики под воздействием внешних воздействий, часто создаются на основе оптических волокон, материалов с памятью формы, пьезоэлектрических и/или магнитострикционных (меняющих форму при изменении намагниченности) материалов.

Их широко используют в системах самодиагностики, самозалечивания повреждений конструкций и адаптации к реальным условиям эксплуатации элементов аэрокосмической техники и во многих других областях. В том числе в робототехнике.

Пьезоэлектрические элементы, обладающие прямым и обратным пьезоэффектами, применяют в качестве «искусственной кожи», представляющей гибкие сенсорные индикаторные покрытия голосовых акустических устройств и манипуляторов (актюаторов) захвата и перемещения предметов роботов.

Встроенные в SMART-конструкции пьезоэлементы выполняют как сенсорные, так и исполнительные функции. Сенсорные, основанные на прямом пьезоэффекте, передают искусственному интеллекту робота электрический сигнал от воздействия внешней среды.

Исполнительные функции, предназначенные для выполнения каких-либо действий, работают за счет обратного пьезоэффекта. При этом пьезоэлектрические элементы служат «актюаторами» — преобразователями электрических сигналов, поступающих от искусственного интеллекта, в движение, которое может осуществлять некое манипулирование, например, для сборки микромасштабных объектов, микрозахватов, а также для работы шаговых двигателей, систем автоматического управления радиотехники, электроники, оптики, акустики, аэрокосмической и медицинской техники.

Разработанные в ПНИПУ два вида новых пьезоустройств — мембранные (MDS) и оболочечные (CDS) актюаторы. DS здесь означает использование в этих актюаторах управляющих электродов в виде плоских или пространственных «двойных спиралей».

Значительно большая эффективность новых актюаторов относительно традиционных обусловлена формой управляющих электродов в виде «двойных спиралей», малым расстоянием между витками спирали электродов и уникальной «взаимообратной» спиральной поляризации пьезослоя.

Производство MDS — и CDS-актютаторов для широкого использования в науке и технике будет организовано в создаваемой учеными новой лаборатории аэрокосмического факультета ПНИПУ «Пьезосенсортех».

Автор патентов, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ доктор физико-математических наук Андрей Паньков рассказал о перспективах изобретения:

«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».

Исследования пермских ученых помогут робототехнике шагнуть вперед, делая за счет использования новых актюаторов роботизированные устройства более чувствительными.