Forskare har visat "gigantisk flexoelektricitet" i mjuka elastomerer som kan förbättra robotrörelser och göra självdrivna pacemakers till en verklig möjlighet. I ett papper publicerat denna månad i Proceedings of the National Academy of Sciences, forskare från University of Houston och Air Force Research Laboratory förklarar hur man konstruerar skenbart vanliga ämnen som silikongummi i ett elektriskt kraftverk.

Vad har följande gemensamt:En självdriven implanterad medicinsk utrustning, en mjuk människoliknande robot och hur vi hör ljud? Svaret på varför dessa två olika teknologier och biologiska fenomen är likartade ligger i hur de material de är gjorda av kan avsevärt förändras i storlek och form - eller deformeras - som ett gummiband, när en elektrisk signal skickas.

Vissa material i naturen kan utföra denna funktion, fungerar som en energiomvandlare som deformeras när en elektrisk signal skickas igenom eller levererar elektricitet när den manipuleras. Detta kallas piezoelektricitet och är användbart för att skapa sensorer och laserelektronik, bland flera andra slutanvändningar. Dock, dessa naturligt förekommande material är sällsynta och består av styva kristallina strukturer som ofta är giftiga, tre distinkta nackdelar för mänskliga tillämpningar.

Konstgjorda polymerer ger steg mot att lindra dessa smärtpunkter genom att eliminera materialbrist och skapa mjuka polymerer som kan böjas och töjas, känd som mjuka elastomerer, men tidigare saknade dessa mjuka elastomerer betydande piezoelektriska attribut.

I ett papper publicerat denna månad i Proceedings of the National Academy of Sciences, Kosar Mozaffari, doktorand vid Cullen College of Engineering vid University of Houston; Pradeep Sharma, MD Anderson ordförande professor och avdelningsordförande i maskinteknik vid University of Houston och Matthew Grasinger, LUCI postdoktor vid Air Force Research Laboratory, erbjuda en lösning.

"Denna teori konstruerar en koppling mellan elektricitet och mekanisk rörelse i mjuka gummiliknande material, "sa Sharma." Även om vissa polymerer är svagt piezoelektriska, det finns inga riktigt mjuka gummiliknande material som är piezoelektriska. "

Termen för dessa multifunktionella mjuka elastomerer med ökad kapacitet är "gigantisk flexoelektricitet". Med andra ord, dessa forskare visar hur man kan öka flexoelektriska prestanda i mjuka material.

"Flexoelektricitet i de flesta mjuka gummimaterial är ganska svag, "sa Mozaffari, "men genom att omorganisera kedjorna i enhetsceller på molekylär nivå, vår teori visar att mjuka elastomerer kan uppnå en större flexoelektricitet på nästan 10 gånger den konventionella mängden. "

Den potentiella användningen är djupgående. Människoliknande robotar tillverkade med mjuka elastomerer som innehåller ökade flexoelektriska egenskaper skulle kunna utföra ett större rörelseomfång för att utföra fysiska uppgifter. Hjärtstarter som är implanterade i människors hjärtan och använder litiumbatterier kan istället vara självdrivna eftersom naturlig rörelse genererar elektrisk ström.

Mekaniken hos mjuka elastomerer som genererar och manipuleras av elektriska signaler replikerar en liknande funktion som observerats i mänskliga öron. Ljud träffar trumhinnan som sedan vibrerar och skickar elektriska signaler till hjärnan, som tolkar dem. I detta fall, rörelse kan manipulera mjuka elastomerer och generera elektricitet för att driva en enhet på egen hand. Denna process med självgenererande kraft genom rörelse framstår som ett steg upp från ett typiskt batteri.

Fördelarna med denna nya teori sträcker sig bortom just det. I forskningsprocessen, förmågan att designa en enhetscell som är stretchinvariant - eller förblir oförändrad under oönskad sträcktransformation - växte fram.

"För vissa applikationer kräver vi att vissa mängder el genereras oavsett sträckdeformation, medan vi med andra applikationer önskar så mycket elproduktion som möjligt, och vi har utformat för båda dessa fall. "sa Mozaffari.

"I vår forskning, vi upptäckte en metod för att göra en enhetscellsträcka invariant. Den avstämbara karaktären hos den flexoelektriska riktningen kan vara användbar för att producera mjuka robotar och mjuka sensorer. "

Med andra ord, mängden elektrisk kraft som genereras från olika fysiska stimuleringar kan styras så att enheter utför riktade åtgärder. Detta kan dämpa funktionen hos elektroniska enheter som är självförsörjande.

Nästa steg inkluderar att testa denna teori i ett labb med potentiella applikationer. Dessutom, ansträngningar för att förbättra den flexoelektriska effekten i mjuka elastomerer kommer att ligga i fokus för ytterligare studier.