Способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров

Изобретение может быть использовано в робототехнике, биомеханических протезах и в различного рода приводах. Способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров заключается в использовании полимеров в виде волокон (1), которые под воздействием электричества начинают сворачиваться в спираль. После отключения электрического напряжения полимерные волокна распрямляются. Волокна (1) объединены в пучки и находятся в защитной эластичной оболочке (3). Изобретение направлено на увеличение степени деформации электроактивных полимеров, расширение сферы их применения, упрощение способа, уменьшение веса и габаритов устройства, используемого в способе. 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области получения механической энергии и может быть применено как силовой элемент в робототехнике, биомеханических протезах и в различного рода приводах.

Известен способ получения механической энергии при помощи полимерных волокон, сворачивающихся в спираль при их нагревании.

Недостатком этого способа является необходимость нагревания волокон при цикле сжатия и охлаждения при цикле расслабления, что приводит к большому расходу энергии и усложняет способ. К тому же процессы нагревания и охлаждения инерционные, что негативно сказывается на быстродействии способа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, способных под воздействием электричества деформироваться, менять свои геометрические размеры.

Известно несколько видов электроактивных полимеров (ЭАП):

- Ионные ЭАП

- Полимерные гели (IGL)

- Ионные композиты полимер-металл (IPMC)

- Проводящие полимеры (CP)

- Электронные ЭАП

- Пьезоэлектрические полимеры (РР)

- Электрострикционные полимеры (ЕР)

- Диэлектрические эластомеры (DE)

- Жидкокристаллические эластомеры (LCE)

- Аэрогели из углеродных нанотрубок (CNT)

(см. European Scientific Network for Artificial Muscles (ESNAM) http://www.esnam.eu; Jet Propulsion Laboratory (JPL) NASA; Dr. Yoseph Bar-Cohen http://eap.jpl.nasa.gov).

Известный заявителю вышеуказанный способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, способных деформироваться под воздействием электричества, основан на непосредственном использовании изменения их геометрических размеров.

Недостатком известного способа получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, способных деформироваться под воздействием электричества, является относительно малое изменение их геометрических размеров, явно недостаточное для решения большинства технических задач, что ограничивает сферу их применения.

Технический результат заявляемого изобретения - увеличение степени деформации электроактивных полимеров, расширение сферы их применения, упрощение способа, уменьшение веса и габаритов устройства, используемого в способе.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, заключающемся в их деформации под воздействием электричества, согласно изобретению электроактивные полимеры используют в виде волокон, которые под воздействием электричества начинают сворачиваться в спираль, после отключения электричества полимерные волокна распрямляются, при этом полимерные волокна объединены в пучки и находятся в защитной эластичной оболочке, а одноименные электроды полимерных структур соединяют и выводят за ее пределы.

Отличительными признаками заявляемого способа являются новые условия для получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, а именно выполнение из них волокон. При реализации заявляемого способа было выявлено, что воздействие электричества на электроактивные полимеры в виде волокон способствует их деформации, изгибу и в результате сворачиванию в спираль. При отключении электричества полимерные волокна распрямляются. Указанная совокупность действий увеличивает степень деформации полимера, упрощает способ получения механической энергии, обеспечивает удобство и его доступность. Позволяет расширить сферу применения электроактивных полимеров (в робототехнике, биомеханических протезах, в различного рода приводах и т.д.), сократить вес и габариты устройств с их применением, упрощает их производство и эксплуатацию.

Кроме того, отличием заявляемого способа является объединение полимерных волокон в пучки и помещение в защитную эластичную оболочку (например, силиконовую), при этом одноименные электроды полимерных волокон соединяют и выводят за ее пределы. Это улучшает работоспособность устройства, реализующего заявляемый способ.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически изображено устройство из ионного электроактивного полимера, на фиг. 2 - работа устройства из ионного электроактивного полимера, на фиг. 3 - работа устройства из электроактивного полимера, на фиг. 4 - пучок волокон электроактивного полимера в защитной оболочке, на фиг. 5 - устройство из диэлектрического эластомера, на фиг. 6 - работа устройства из диэлектрического эластомера.

Для реализации заявляемого способа используют устройство из полимера, например ионного электроактивного, из которого выполняют волокна 1, при этом их сечение во много раз меньше их длины L1 (см. фиг. 3.). На поверхность волокон 1 с противоположных сторон наносят электроды 2 (фиг. 1). Полимерные волокна 1 объединяют в пучки и помещают в защитную эластичную диэлектрическую оболочку 3 (фиг. 4). Одноименные электроды полимерных волокон соединяют и выводят за пределы эластичной оболочки 3 (на фиг. не показан).

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Для получения механической энергии на электроды 2 подают постоянное электрическое напряжение 4. При этом сторона полимерного волокна у отрицательного электрода начинает удлиняться, когда как противоположная сторона у положительного - сокращаться, что приводит к изгибу отдельных участков полимерного волокна (фиг. 2). В силу того, что сечение волокна 1 во много раз меньше его длины L1, оно начинает сворачиваться в спираль (фиг. 3). При этом расстояние L2 между концами волокна значительно сокращается. После отключения электрического напряжения полимерное волокно 1 распрямляется, а расстояние между его концами восстанавливается. Чередуя акты сворачивания и распрямления полимерного волокна, получают механическую энергию.

В случае использования диэлектрических эластомеров (см. фиг. 5) предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Из диэлектрического эластомера выполняют волокна 1 в виде «сэндвича», разделенного электродом 2, На поверхность волокон 1 с противоположных сторон наносят электроды 2а, 2в. Для получения механической энергии на электроды 2, 2а подают постоянное электрическое высокое напряжение одноименного знака, а на электроды 2, 2в противоположного знака. При этом электроды 2, 2а начинают отталкиваться, эластомер растягиваться, а сторона полимерного волокна между электродами 2, 2а начинает сокращаться, когда как с противоположной стороны электроды 2, 2в начинают притягиваться, эластомер сжиматься, а сторона волокна между электродами 2, 2в - удлиняться, что приводит к изгибу отдельных участков полимерного волокна (фиг. 6). Это, как и в примере с ионным электроактивным полимером, приводит к тому, что волокно начинает сворачиваться в спираль (фиг. 3).

Способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров, заключающийся в их деформации под воздействием электричества, отличающийся тем, что электроактивные полимеры используют в виде волокон, которые после воздействия электричества начинают сворачиваться в спираль, после отключения электрического напряжения полимерные волокна распрямляются, при этом полимерные волокна объединены в пучки и находятся в защитной эластичной оболочке, а одноименные электроды полимерных структур соединяют и выводят за ее пределы.