Thiết bị truyền động tĩnh điện là thiết bị đơn giản và nhẹ mô phỏng cơ bắp của con người. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng chủ yếu bị hạn chế trong việc di chuyển các thiết bị nhỏ vì chúng cần điện áp cao để tạo ra lực đáng kể.
Tuy nhiên, giờ đây, có thể sử dụng bộ truyền động tĩnh điện trong cơ nhân tạo nhờ nghiên cứu từ Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech) đã sử dụng vật liệu sắt điện để tạo ra bộ truyền động tĩnh điện có thể tạo ra lực mạnh ở điện áp truyền động thấp.
>> Tham khảo: Công cụ AI dự đoán khi nào một ngân hàng nên được giải cứu.
Thiết bị truyền động tĩnh điện là thiết bị sử dụng điện trường để di chuyển vật thể. Các thiết bị này bao gồm hai điện cực tích điện trái dấu tạo ra một lực bất cứ khi nào có một điện trường phát triển giữa chúng.
Bằng cách thay đổi hình dạng của các điện cực và lấp đầy khoảng trống giữa chúng bằng các vật liệu mềm, dẻo, các cấu hình khác nhau cho bộ truyền động tĩnh điện đã được phát triển trong đó lực có thể mô phỏng lực của cơ bắp đang vận hành.
Lực do bộ truyền động tĩnh điện tạo ra phụ thuộc vào điện áp đặt vào các điện cực của chúng và các điện tích tích lũy tại giao diện giữa các điện cực và vật liệu điện môi. Do đó, để tạo ra đủ lực hỗ trợ các hoạt động và chuyển động của con người, các thiết bị này phải được cung cấp điện áp lớn, có thể gây nguy hiểm cho cơ thể.
Nhằm mục đích tăng lực do bộ truyền động tạo ra trong khi vẫn giữ điện áp thấp, Giáo sư Suzushi Nishimura và nhóm của ông từ Tokyo Tech đã tăng điện tích tích lũy bằng cách sử dụng vật liệu sắt điện phân cực tự phát.
>> Tham khảo: Đặt hệ thống phanh trên pin lithium-ion để ngăn ngừa hỏa hoạn.
Nghiên cứu là sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu từ Tokyo Tech và Tập đoàn ENEOS, Nhật Bản, đã được xuất bản trong Nghiên cứu Vật lý Nâng cao.
Khi vật liệu sắt điện chịu tác dụng của điện trường, sự phân tách điện tích (phân cực) xảy ra. Tuy nhiên, không giống như các vật liệu thuận điện thông thường, sắt điện vẫn giữ được sự phân cực của chúng ngay cả sau khi loại bỏ điện trường, cho phép chúng duy trì một số lượng lớn điện tích tích lũy ở điện áp thấp.
Hơn nữa, do sự phân cực của vật liệu sắt điện không phụ thuộc vào điện áp nên lực sinh ra tỷ lệ tuyến tính với điện áp đặt vào. “Phương tiện sắt điện vượt trội so với phương tiện thuận điện thông thường để sử dụng trong bộ truyền động tĩnh điện ở hai khía cạnh.
Một là chúng có thể tạo ra lực cao hơn bằng cách duy trì sự phân cực lớn ngay cả ở điện áp thấp và hai là đáp ứng điện áp của chúng gần như tuyến tính, dẫn đến trong khả năng kiểm soát thiết bị tốt,” Giáo sư Nishimura giải thích.
>> Tham khảo: Tai nạn tàu container là mối đe dọa đang nổi lên đối với hệ sinh thái biển.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các tinh thể lỏng trong pha chủ đề đặc biệt (tức là pha mà các trục dài của phân tử được sắp xếp theo các đường thẳng song song chứ không phải theo lớp) làm vật liệu sắt điện.
Vật liệu được phát hiện là có thể chảy giống như chất lỏng ở nhiệt độ phòng trong khi sở hữu cấu trúc phân tử hình que giống như cấu trúc của các tinh thể rắn – những đặc điểm cần thiết mang lại cho những vật liệu này mômen lưỡng cực lớn (tức là cường độ phân cực) và tính lưu động cần thiết để sử dụng chúng trong các cơ nhân tạo.
Trong các thử nghiệm, tinh thể lỏng sắt điện được phát hiện tạo ra lực tác dụng lên các điện cực cao hơn 1.200 lần so với lực tác dụng của các vật liệu thuận điện thông thường như dầu cách điện. Với các tinh thể lỏng sắt điện và điện cực cuộn dây xoắn kép được in 3D, các nhà nghiên cứu đã phát triển một bộ truyền động tĩnh điện có khả năng tạo ra sự co và giãn – giống như cơ bắp – ở điện áp thấp.
Giáo sư Nishimura cho biết: “Khi chúng tôi áp dụng điện trường 0,25 MV m-1, thiết bị co lại 6,3 mm, tức là khoảng 19% chiều dài ban đầu của nó. “Quan sát trực quan cho thấy thiết bị di chuyển khi đặt điện áp 20 V. Điều này có nghĩa là ngay cả pin khô cũng có thể cung cấp năng lượng cho bộ truyền động hiện tại.”
>> Tham khảo: Một ‘lời khuyên khôn ngoan’ cho sinh học tổng hợp.
Những phát hiện này chứng minh rằng các vật liệu sắt điện có sự phân cực tự phát có triển vọng phát triển các bộ truyền động tĩnh điện phù hợp với cơ nhân tạo. Các nhà nghiên cứu hiện đang lên kế hoạch tối ưu hóa độ nhớt đàn hồi của vật liệu tinh thể lỏng để cải thiện hơn nữa hoạt động của bộ truyền động tĩnh điện.
