Команда исследователей из подразделения Министерства энергетики США при национальной лаборатории Лоуренса в Беркли показала мелкоразмерный автоматизированный торсионный двигатель/мышцу, изготовленный из диоксида ванадия, который, принимая во внимание размеры, является в тысячу раз сильнее, чем человеческие мышцы. Искусственная микро-мышца позволяет всего за 60 миллисекунд отбрасывать объекты, которые в 50 раз тяжелее ее собственного веса на расстояние в пять раз превышающее ее длину.
«Мы создали микро-биморфную двойную спираль, принцип работы которой идентичен работе мощной торсионной мышцы. Она приводится в движение термическим или электротермическим путем при фазовом переходе диоксида ванадия», — сказал руководитель проекта Цзюн Цяо Ву. – «С помощью простого проекта и неорганических материалов нам удалось добиться превосходной удельной производительности в расчете на единицу потребляемой мощности и скорости двигателей, а также силовых приводов, используемых на данный момент в интегрированных микросистемах».
Результаты проведенного исследования были опубликованы в журнале Advanced Materials.
Диоксид ванадия пользуется достаточно большой популярностью среди исследователей из области электроники. Данное неорганическое соединение является одним из немногих материалов, которые при низких температурах служат диэлектриками, а при высоких (в случае диоксида ванадия 67 градусах выше нуля по Цельсию) становятся проводниками. Существует мнение, что этот терморегулируемый фазовый переход полупроводник−металл в один прекрасный день станет основой зарождения рынка электронных и оптических устройств нового поколения.
Но это еще далеко не все преимущества диоксида ванадия. При воздействии высоких температур кристаллы диоксида ванадия сокращаются в одном измерении и расширяются в двух других, что делает его идеальным кандидатом для создания микроскопических и в то же время многофункциональных двигателей или искусственных мышц.
Команда исследователей под руководством Цзюн Цяо Ву создали микро-мышцу на кремниевой подложке из длинной биоморфной V-образной ленты, состоящей из диоксида ванадия и хрома. В момент, когда лента отделяется от основания, она образует двойную спираль, которая обоими концами связана с хромовым электродом. При нагреве спираль активируется и превращается в микрокатапульту, отбрасывающую удерживаемый объект, или в датчик близости, в котором дистанционное наблюдение объекта вызывает микро-взрыв, быстрое изменение сопротивления и формы микро-мышцы, за счет чего происходит отталкивание объекта.
По словам Цзюн Цяо Ву, несколько таких микро-мышц могут создать автоматизированную систему, которая моделирует активную нейромышечную систему. Подобные устройства смогут удаленно обнаруживать объект и воздействовать на него, изменяя форму.
Микро-мышцы из диоксида ванадия показали обратимое торсионное движение в течение более одного миллиона циклов без каких-либо изменений. При этом скорость вращения составляла примерно 200 тыс оборотов в минуту, амплитуда – 500-2000 градусов на миллиметр в длину, а удельная производительность в расчете на единицу потребляемой мощности порядка 39 кВт/кг.
«Результаты на порядок выше, чем у существующих торсионных двигателей, основанных на электростатике, магнетике, углеродных нанотрубках или пьезоэлектриках», — добавил Ву.
Напоследок стоит отметить, что для нагрева микро-мышцы можно использовать миниатюрную электрогрелку или электрический ток.