Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Актюатор (движитель) является основным элементом микроробототехнической системы, который преобразует запасенную или внешнюю индуцируемую энергию в механическое перемещение. Основными критериями выбора типа движителя являются его технологичность, энергоэффективность и возможность создания больших усилий и перемещений. Научная новизна поставленной задачи обусловлена использованием ионных полимер-металлических композитных (ИПМК) материалов для создания высокотехнологичного, недорого и энергетически эффективного актюатора (движителя). Первый этап проекта направлен на решение следующих задач: 1. Моделирование и оптимизация конструкции актюаторов на основе ИПМК. 2. Оптимизация технологии изготовления актюаторов на основе ИПМК. 3. Получение экспериментальных образцов актюаторов и измерение их основных параметров. Результаты решения первой задачи: - Для передвижения биомиметических микроробототехнических систем целесообразно использовать актюаторы в виде консольных механических элементов, работающих на возбуждении продольных или поперечных колебаний от единиц до сотен герц. - Моделирование методом конечных элементов выявило на зависимости амплитуды перемещения от времени (в колебательном режиме) область, в которой, вследствие инерционности движения ионов в мембране, наблюдается несимметричность величины амплитуды относительно положения равновесия. Выход на рабочий режим происходит после работы в течение времени соответствующего 10-15 периодам колебаний. Результаты моделирования показали наличие задержки реакции актюатора на величину порядка 1/5 периода относительно управляющего сигнала. - Критерием для оптимизации конструкции актюатора служит отношение преобразованной системой механической энергии к полученной системой энергии от источника питания. Полученный критерий зависит от свойств материала (модуля Юнга, диэлектрической проницаемости) и электролита (коэффициента диффузии, плотности распределения ионов (зарядов), концентрации, подвижности ионов), а также обратно пропорционален толщине. Для более эффективного преобразования рекомендуется уменьшать толщину актюатора, увеличивать концентрацию ионов в растворе. В рамках решения второй задачи решались две основные подзадачи: выбор материала электродов и оптимального способа их нанесения на ионообменную мембрану. Результаты: - Металлические электроды, полученные ионно-плазменным осаждением, имеют толщину порядка 100 нм, обеспечивают хорошую адгезию к поверхности ионообменной мембраны, высокую проводимость. Основным недостатком, выявленным в ходе исследования электродов, полученных ионно-плазменным осаждением, является их плохая гибкость и пластичность. При деформации рабочей структуры они трескались, что приводило к увеличению сопротивления электродов от единиц Ом до десятков кОм - Проведенные исследования графеновых электродов выявили следующие недостатки: плохая адгезия к поверхности ионообменной мембраны, высокое сопротивление, сложность нанесения, но при этом они обеспечивают необходимую гибкость и пластичность при рабочих деформациях - Полученные электроды из проводящего полимерного композита PEDOT-PSS характеризовались достаточно высоким сопротивлением (> 500 Ом), однако обеспечивали высокие гибкость и пластичность при рабочих деформациях. Хорошая растворимость в воде ограничивает их область применения только в воздушной среде с мембранами пропитанными неводными электролитами. - Металлические электроды, полученные методом химического осаждения из раствора соли металла, обеспечивают хорошую адгезию к поверхности ионообменной мембраны, высокую проводимость и обладают необходимой пластичностью и гибкостью, в отличие от электродов, полученных физическим осаждением. Поэтому в данной работе основным методом для нанесения электродов был выбран метод химического осаждения из раствора соли металла. - Исследование структур с металлическими электродами, полученными химическим осаждением, показали зависимость эффективности работы актюатора от количества повторений отдельных стадий нанесения электродов. Результаты решения третьей задачи: - Исследование структуры электродов, полученных методом химического осаждения из раствора соли металла, выявило наличие двух слоев частиц, различающихся по морфологии. Первый слой – диффузионный, состоящий из частиц, распределенных в порах ионообменной мембраны. Толщина слоя частиц металла для разных образцов составляет от 6 до 10 мкм, а размер диспергированных частиц варьируется от 30 до 90 нм. Толщина второго слоя металлизации достигает до 10 мкм. Слой состоит из гранулированных частиц металла размером от 40 нм до 60 нм. - Поверхность электродов актюатора характеризуется наличием гранулированной структуры металла с глубиной пик/долина около 10-15 нм и шириной пиков около 20 нм. Эти гранулированные нанонеровности приводят к повышению электрического сопротивления электродов по сравнению со сплошным материалом, но при этом обеспечивают необходимую пористость слоя, который позволяет жидкости двигаться в мембране и обеспечивать интерфейс взаимодействия раствора с электродом. - Исследование лабораторных образцов актюаторов пропитанных растворами различных солей (CuSO4, LiIO3, MgCl2, KLiSO4, NH4Cl) показало, что наибольшие перемещения наблюдаются у актюатора пропитанного 0,1М раствором CuSO4. - При работе актюатора в воздушной среде полимер нуждается в постоянной гидратации. Для увеличения работы управляющие напряжения должны быть не более 1 В, т.к. при при подаче напряжения выше 1,23 В может происходить электролиз воды. Другой способ предотвратить испарение жидкости - пропитывание актюатора растворителем с более высокой температурой кипения, чем вода, например, этиленгликолем, глицерином, диметилсульфооксидом (ДМСО) или его смесью с водой. - Экспериментально было показано, что актюатор с форм-фактором (отношение длины к толщине) 140 создает в 2 раза большие усилия по сравнению с актюатором с форм-фактором 500 при этом создаваемые перемещения отличаются не более чем на 50%. Поэтому целесообразно использовать актюаторы с форм-фактором менее 200. - Экспериментально были установлены типовые значения основных параметров актюатора размером 40/5/0,2 мм. с металлическими электродами: потребляемая мощность 10-40 мВт, управляющие напряжения 1-4 В, быстродействие 0,05 c, время работы на воздухе 10 мин, время работы в воде 8 ч, максимальное перемещение 10 мм, максимальное усилие 4 мН - Экспериментально было установлено, что при хранении актюатора в растворах со временем ухудшаются его эксплуатационные характеристики. Хранение в 0.1M растворе CuSO4 ухудшает характеристики преобразователя почти в два раза, в отличии от хранения актюатора в воде. Полученные результаты позволяют создавать технологичные, недорогие, развивающие большие усилия и перемещения актюаторы для биомиметических микроробототехнических систем. Использование движителей на основе ионных полимер-металлических композитов позволяет расширить функциональные возможности работы биомиметических микробототехнических систем. Таким образом, появляется возможность работы, как в воздушной, так и в водной среде. Варьируя конструкцией актюатора можно реализовать практически любой вид движения. В то же время актюаторы данного типа не имеют вращающихся и скользящих частей, что улучшает их износостойкость и защищенность от внешней среды. Поэтому разработка энергоэффективных, автономных высокотехнологичных микробототехнических систем является актуальной задачей. Выполняемый проект направлен на ее решение.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Целью второго этапа проекта являлась разработка и исследование прототипов биомиметических микроробототехнических систем (биороботов) на основе полимерных актюаторов, перемещающихся в водной среде. Для достижения данной цели необходимо было решить три задачи: 1. Анализ принципов передвижения живых организмов (биороботов) в водной среде и построение математической модели работы актюатора в водной среде. 2. Увеличение ресурса работы актюаторов в водной и воздушной средах. 3. Разработка, изготовление и исследование биороботов на основе бионических принципов движения в водной среде. Результаты решения первой задачи: - Получено приближённое аналитическое выражение для временной зависимости одномерного поля скорости в мембране. Скорость выражена через амплитуду и частоту приложенного напряжения, а также через подвижности ионов в системах «вода – стенки поры», «катионы – вода», и «катионы – стенки поры». Через полученное выражение для скорости выведено выражение для вынуждающей силы, вызывающей искривление мембраны. Оценена также амплитуда отклонения мембраны на воздухе, зависящая лишь от внутренних параметров мембраны; - На основании уравнения Навье−Стокса для гидродинамики вязкой среды и уравнения неразрывности, варьируя граничные условия на мембране, получено аналитическое решение для поля скоростей, указывающее на границы областей замкнутого течения и течения, обтекающего осциллирующую мембрану, и зависящее от универсальной осцилляционной толщины δ вязкого колебательного пограничного слоя. - Установлено, что поле скоростей близ мембраны позволяет определить тормозящую силу, специфика которой в осцилляционной задаче состоит в ее пропорциональности не только локальной скорости изгиба мембраны, но и скорости изменения этой скорости. - Установлено, что при частотах ≥ 5 Гц различие в амплитуде актюации становится крайне малым. Этот расчетный результат соответствует эксперименту, такое же соответствие наблюдается при всех частотах, отличных от резонансной. Результаты решения второй задачи: - Исследована возможность капсулирования полиуретановым полимером и двух компонентным диэлектрическим силиконовым гелем. Показано что капсулированные актюаторы развивает больше усилия чем не капсулированный, однако создаваемые перемещения становятся меньше. Время работы актюаторов на воздухе при полном капсулировании значительно увеличивается до 3…5 ч. В связи с тем, что в результате полного капсулирования не остается возможности заново смочить актюатор, повторное его использование после высыхания не возможно. При частичном капсулировании время работы увеличивается до 30…40 мин. - Рассмотрен другой способ предотвращения испарения жидкости - пропитывание актюатора растворителем с более высокой температурой кипения, чем вода, например, этиленгликолем, диметилсульфооксидом или ионными жидкостями. Использование таких растворителей позволяет также перейти к использованию в качестве электродов водорастворимые проводящие полимеры, такие как PEDOOT-PSS, которые можно наносить из растворов по относительно дешевым технологиям (центрифугирование, полив, погружение или печатные технологии) − Построена модель, позволяющая описать структуры композитного материала «графен−наночастицы серебра» и полуколичественно оценить оптимальную концентрацию серебряного модификатора, повышающего проводимость графеновых электродов; − В рамках модели предсказана соизмеримость массовых долей серебра и графена в теле электродов после восстановления при характерном размере графеновых чешуек ~10 нм; при таком соотношении массовых долей необходимый уровень проводимости уже достигнут и в то же время «лишнего» серебра (не защищенного графеном от окисления) уже не остаётся, и это позволяет исключить влияние серебра на электрохимические процессы. Оптимальное соотношение масс сильно зависит от размера чешуек; Результаты решения третьей задачи: - Для анализа поведения в водной среде биороботов на основе полимерных актюаторов разработана робототехническая система «Катамаран», позволяющая имитировать движение рыб, которые совершают колебательные движения в набегающем потоке. Экспериментально установлено, что провода от источника питания оказывают сильное влияние на подвижность и маневренность биоробота. В автономном режиме работы биоробот плохо управляем. Для повышения управляемости биоробота лучше использовать несколько актюатора или принцип движения типа «угорь». Для перемещения размеры движителя должны быть соизмеримы с размерами перемещаемого биоробота (движитель может состоять из активной части − непосредственно сам актюатор − и пассивной части, которая увеличивает площадь актюатора). - Разработан плавучий стенд для исследования основных видов имитации движения рыб. Движители можно располагать в любом месте по периметру корпуса, что обеспечивает универсальность данной платформы для изучения основных бионических принципов передвижения. В системе предусмотрено использование четырех движителей, состоящих из пассивных и активных частей. Активная часть каждого движителя представляет собой два параллельно соединенных полимерных актюатора. Система обеспечения подводной и надводной плавучести необходима для мониторинга поведения надводных и подводных биороботов и представляет собой воздушный резервуар с механизмом изменения объема. - На основе полученных данных разработаны три робототехнические системы. Система «Скат» (87х86х30 мм) разработана для изучения колебательного движении плавников; система «Угорь» (155х50х62 мм) разработана для имитации и изучения волнообразного движения биоробота; Система «Головастик» (20х25х20 мм) разработана для имитации и исследования движения микробиороботов в жидкой среде. Корпуса всех трех систем были собраны из деталей, изготовленных из АБС-пластика на 3D-принтере (корпус выполняет функцию поплавка, в котором находятся электрические схемы управления). - Построены экспериментальные зависимости скорости передвижения биороботов от частоты. Максимальная скорость передвижения системы «Скат» составила 35 мм/с на частоте 0,5 Гц, у системы «Угорь» − 12 мм/с на 0,4 Гц и системы «Головастик» − 27 мм/с на 4 Гц. Таким образом, система «Угорь», по скорости показала результат, худший чем система «Скат». Наибольшую частоту колебаний актюатора и наибольшую скорость передвижения биоробота показала система «Головастик», имевшая в несколько раз меньшие габариты, чем другие системы. - Разработана модель, основанная на полуэмпирическом приближении, задающем ряд параметров, с помощью которых моделируются электромеханические коэффициенты преобразования между приложенным электрическим полем и деформацией. - Основными оптимизируемыми параметрами являются амплитуда перемещения конца актюатора и развиваемые усилия. По разработанной нами модели видно, что амплитуда перемещения пропорциональна квадрату форм-фактора (т. е. квадрату отношения длины актюатора к его толщине). Развиваемые усилия обратно пропорциональны величине форм-фактора и прямо пропорциональны ширине актюатора. Таким образом, для увеличения амплитуды перемещения актюатора необходимо увеличивать значение форм-фактора, а уменьшение при этом развиваемых усилий можно компенсировать за счет увеличения ширины.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Целью 3-го этапа проекта являлись разработка и исследование прототипов микро(мини)роботов на основе ИПМК-актюаторов, перемещающихся по горизонтальной плоской поверхности. Для достижения данной цели необходимо было решить 3 задачи: 1. Анализ принципов передвижения живых организмов по плоской горизонтальной поверхности. 2. Исследование и совершенствование актюаторов и сенсоров на основе электроактивных полимеров. 3. Разработка, изготовление и исследование микро(мини)роботов перемещающихся по плоской горизонтальной поверхности на основе бионических принципов движения. Результаты решения задачи 1 ● Анализ принципов движения живых организмов и микро(мини)роботов позволяет сделать вывод о целесообразности создания шагающих устройств с количеством «ног» от 4 до 6. ● Для передвижения микроробота с шестью «ногами» был разработан неадаптивный алгоритм типа «3+3» как максимально удовлетворяющий нашим требованиям. ● Для передвижения миниробота был разработан неадаптивный алгоритм типа «2+2», в котором для сохранения статической устойчивости системы перестановка «ног» осуществляется поочередно. Результаты решения задачи 2 ● Установлено, что как альтернатива металлическим электродам могут использоваться более гибкие материалы на основе углерода – например, восстановленный оксид графена (ВОГ) − или на основе органических проводников. Но ВОГ обладает плохой адгезией к мембране. Для улучшения адгезии следует использовать графен с проводящим полимером (например, полианилином) или химически модифицированный графен. Для получения амино-модифицированного оксида графена исходный оксид графена обрабатывается тионилхлоридом SOCl2 под воздействием ультразвука. ● Полученный актюаторы на основе амино-модифицированного оксида графена имеют диапазон управляющих напряжений 1…10 В. ● Одним из методов увеличение усилия ИПМК-актюатора является увеличение толщины мембраны. Исследование ИПМК-актюаторов на основе нафионовых мембран толщиной 125, 175 и 290 мкм подтвердило, что наибольшие усилия (~30 мН) создает ИМПК-актюатор толщиной 290 мкм. ● Нафионовые ИМПК обладают эффектом памяти формы, что может быть использовано для расширения диапазона применения ИПМК-актюаторов. При этом следует учитывать, что эти эффекты изменяют актюацию под действием температуры, а значит они должны быть приняты во внимание в тех случаях, когда ИПМК-актюаторы используются, при повышенных температурах. ● Установлено, что ИПМК-сенсор характеризуется линейным откликом на механическое воздействия в диапазоне перемещений 0,1…1 мм. Коэффициент его чувствительности составляет 0,072 мВ/мм. При механических воздействиях с частотами 5…18 Гц в воздушной среде и 2…20 Гц в водной среде амплитуда выходного сигнала практически не меняется, и при этом выходной сигнал имеет форму синусоиды с постоянной амплитудой. Чем короче сенсор, тем больше амплитуда колебаний выходного напряжения. Данные закономерности справедливы и для воздушной среды и для водной. ● Для получения информации о временном изменении амплитуды колебаний ИПМК-актюаторов можно использовать ИПМК-сенсор. Разработана структура, состоящая из дискретного актюатора и дискретного сенсора, механически соединенных друг с другом. Данная система способна регулировать амплитуду колебаний актюатора 0,1 мм и более. Результаты решения задачи 3 ● Для анализа поведения микро(мини)роботов на основе ИПМК-актюаторов на плоской горизонтальной поверхности были разработаны 3 привода. Наиболее приемлемым оказался привод №3, основным преимуществом которого является модульность. Используя разные количества модулей, можно генерировать необходимые развиваемые усилия и скорости работы. ● На основе привода №3 была разработана автономный миниробот «Конь», состоящий из каркаса с системой управления и источника питания, а также четырех «ног», каждая из которых имела две степени свободы. Каждая «нога» представляет собой привод №3 с двумя актюаторными модулями, каждый из которых имел S-образную ступню. ● Микроробот «Жук» (18.5х20х20 мм) состоит из трех М-образных модулей, соединенных осью. Каждый модуль включает в себя две «ноги». Каждая «нога» состоит из двух ИПМК-актюаторов, соединенных последовательно с помощью специальной оснастки. Система управления и источник питания находятся вне корпуса микроробота и соединены с «Жуком» гибкими проводами. ● Миниробот «Конь» (118х141х62,4 мм) изготавливался в несколько этапов. На первом этапе на 3D-принтере создавались основные компоненты приводов движения и корпус. На этапе сборки минироботота использовались винтовые соединения. Оси, используемые при сборке привода №3, представляют собой карбоновые цилиндры. Ступня привода изготовлена из проволоки, изогнутой в виде вопросительного знака для обеспечения амортизации во время передвижения. ● Система «Жук» изготавливалась аналогично. Основные компоненты приводов также были созданы на 3D-принтере. Основные модули обеих систем были собраны из деталей, изготовленных из АБС-пластика. ● Разработаны 2 стенда и соответствующие методики измерения. Первый стенд использовался для исследования основных характеристик изготовленных «ног» микро(мини)роботов, второй – для исследования основных параметров самого микро(мини)робота. ● Экспериментально определены основные характеристики робототехнических систем. Максимальная скорость движения миниробота «Конь» составила 1 мм/с при шаге ноги 33 мм и массе устройства 70 г, а микроробота «Жук» − 2 мм/с при шаге 5 мм и массе 2 г. Время непрерывной работы обеих систем на воздухе составило ~ 30 мин. ● В рамках метода электромеханических аналогий разработана модель, которая связывает основные характеристики микро(мини)роботов системой линейных уравнений с постоянными коэффициентами, что позволяет реализовать алгоритм управления на основе этой модели. ● Эксперимент показал, что увеличивать количество актюаторных модулей до пяти и более нецелесообразно, поскольку при этом хотя и увеличиваются развиваемые приводом усилия, но уменьшается его перемещение. Это связано с тем, что при параллельном соединении актюаторных модулей возрастает суммарная жесткость привода. Это увеличивает развиваемые приводом усилия и соответственно уменьшает перемещение. В связи с этим оптимизированное количество используемых актюаторных модулей для системы «Конь» равно 2, что обеспечивает достаточные перемещения и развиваемые приводом усилия.