최초의 인공 근육 굴곡: 로봇 공학의 강유전성 폴리머 혁신

Penn State University 작성2023년 7월 8일

주울 가열에 의해 구동되는 강유전성 폴리머의 작동. 크레딧: Qing Wang

Penn State 연구원들은 전기 에너지를 기계적 변형으로 효율적으로 변환하는 새로운 강유전성 폴리머를 개발했습니다. 의료 기기 및 로봇 공학에 사용할 수 있는 잠재력을 보여주는 이 소재는 기존의 압전 한계를 극복했습니다. 연구원들은 고분자 나노복합체를 생성하여 성능을 향상시켰고, 필요한 구동 필드 강도를 크게 줄이고 잠재적인 응용 분야를 확대했습니다.

전기 에너지를 기계적 변형으로 변환하는 데 탁월한 성능을 발휘하는 새로운 유형의 강유전성 폴리머는 고성능 모션 컨트롤러 또는 "액추에이터"로서 의료 기기, 고급 로봇 공학 및 정밀 위치 확인 시스템에 응용할 수 있는 잠재력이 크다고 합니다. Penn State가 이끄는 국제 연구원 팀.

힘이 가해졌을 때 재료의 모양이 어떻게 변하는지, 기계적 변형은 전기 에너지와 같은 외부 힘이 가해질 때 변화하거나 변형되는 모든 재료인 액추에이터의 중요한 특성입니다. 전통적으로 이러한 액추에이터 재료는 단단했지만 강유전성 폴리머와 같은 부드러운 액추에이터는 더 높은 유연성과 환경 적응성을 나타냅니다.

이 연구는 전통적인 압전 고분자 복합재의 한계를 극복할 수 있는 강유전성 고분자 나노복합체의 잠재력을 입증했으며, 향상된 변형 성능과 기계적 에너지 밀도를 갖춘 소프트 액추에이터 개발을 위한 유망한 길을 제공했습니다. 소프트 액추에이터는 강도, 파워, 유연성으로 인해 특히 로봇공학 연구자들의 관심을 끌고 있습니다.

"잠재적으로 우리는 이제 인공 근육이라고 부르는 일종의 소프트 로봇 공학을 가질 수 있습니다"라고 Penn State의 재료 과학 및 공학 교수이자 최근 Nature Materials 저널에 발표된 연구의 공동 교신 저자인 Qing Wang이 말했습니다. “이를 통해 우리는 큰 변형 외에도 높은 하중을 견딜 수 있는 연성 물질을 갖게 될 것입니다. 그러면 그 물질은 인간의 근육을 모방한 것, 즉 인간의 근육에 가까운 것이 될 것입니다.”

그러나 이러한 재료가 그 기대를 충족시키기 전에 극복해야 할 몇 가지 장애물이 있으며, 이러한 장애물에 대한 잠재적인 해결책이 연구에서 제안되었습니다. 강유전체는 외부 전하가 가해질 때 자발적인 전기 분극을 나타내며 물질의 양전하와 음전하가 서로 다른 극으로 향하는 물질 종류입니다. 상전이(이 경우 전기 에너지를 기계 에너지로 변환) 동안 이러한 재료의 변형은 모양과 같은 특성을 완전히 변화시켜 액추에이터로 유용하게 사용할 수 있습니다.

"잠재적으로 우리는 이제 인공 근육이라고 부르는 일종의 소프트 로봇 공학을 가질 수 있습니다."

— Qing Wang, 재료공학 교수

강유전성 액츄에이터의 일반적인 응용 분야는 잉크젯 프린터입니다. 전하는 액츄에이터의 모양을 변경하여 종이에 잉크를 분사하여 텍스트와 이미지를 형성하는 작은 노즐을 정밀하게 제어합니다.

While many ferroelectric materials are ceramics, they also can be polymers, a class of natural and synthetic materials made of many similar units bonded together. For example, DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"DNA is a polymer, as is nylon. An advantage of ferroelectric polymers is they exhibit a tremendous amount of the electric-field-induced strain needed for actuation. This strain is much higher than what is generated by other ferroelectric materials used for actuators, such as ceramics./p>

Along with Wang, other researchers in the study include from Penn State Yao Zhou, postdoctoral scholar in materials science and engineering; Tiannan Yang, assistant research professor with the Materials Research Institute; Xin Chen, postdoctoral researcher in materials science and engineering; Li Li, research assistant in materials science and engineering; Zhubing Han, graduate research assistant in materials science and engineering; Ke Wang, associate research professor with the Materials Research Institute; and Long-Qing Chen, Hamer Professor of Materials Science and Engineering. From North Carolina State UniversityFounded in 1887 and part of the University of North Carolina system, North Carolina State University (also referred to as NCSU, NC State, or just State) is a public land-grant research university in Raleigh, North Carolina. NC State offers a wide range of academic programs and disciplines, including the humanities, social sciences, natural sciences, engineering, business, and education. It is known for its strong programs in engineering, science, and technology and is a leader in research and innovation. It forms one of the corners of the Research Triangle together with Duke University in Durham and The University of North Carolina at Chapel Hill. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"North Carolina State University, other researchers in the study include Hancheng Qin, graduate research assistant in physics; Bing Zhang, graduate student in physics; Wenchang Lu, research professor in physics; and Jerry Bernholc, Drexel Professor in Physics. From Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China, other researchers in the study include co-corresponding author Yang Liu, a former postdoctoral scholar in materials science and engineering at Penn State, now a professor of materials science and engineering./p>