Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Целью первого этапа Проекта 2019 являлось улучшение характеристик движителей для биомиметических микроробототехнических систем. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи: 1. Использование более дешевых и доступных отечественных ионообменных мембран для изготовления актюаторов. 2. Разработка технологии изготовления движителей с полимерными электродами в связи с дороговизной металлических электродов. 3. Увеличение времени непрерывной работы движителей. 4. Исследование влияния факторов окружающей среды (температуры, влажности, ионной силы раствора) на время работы и характеристики ИПМК-актюаторов на воздухе и в воде в процессе работы и хранения. 5. Разработка технологии получения электродов заданной топологии на поверхности ионообменной мембраны. Результаты решения задачи 1 ● Исследования показали, что вместо зарубежной ионообменной мембраны нафион для создания ИПМК-актюаторов можно использовать ее отечественный аналог – ионообменную мембрану МФ-4СК. ● Экспериментально установлено, что зависимости максимального отклонения (амплитуды отклонения) свободного конца ИПМК-актюатора от постоянного (синусоидального, 1 Гц) управляющего напряжения у актюаторов из нафиона и МФ-4СК оказались сходны, но в случае МФ-4СК максимальное отклонение (амплитуда отклонения) было выше на 20…30 %. ● Мембраны из МФ-4СК имеют больший размер пор, что подтверждается улучшением адгезии электродов к полимеру в случае графеновых электродов. Актюатор на основе МФ-4СК с графеновыми электродами показал более высокие характеристики (в частности − лучшую частотную характеристику), чем актюатор на основе нафиона с графеновыми электродами. Результаты решения задачи 2 ● Установлено, что как альтернатива металлическим электродам могут использоваться полимерные проводящие материалы, например PEDOT. ● Было обнаружено, что с увеличением времени полимеризации: − пленка PEDOT получается более однородной и более плотной, а сам образец – более жестким; − уменьшается сопротивление электродов, так как с улучшением однородности электродного слоя проводимость увеличивается; − увеличивается амплитуда отклонения, что объясняется уменьшением сопротивления электродов; − увеличивается развиваемое усилие, что объясняется увеличением жесткости образца. ● Экспериментально установлено, что уменьшение времени полимеризации приводит к сдвигу частоты механического резонанса в область более высоких частот. Результаты решения задачи 3 ● Одним из способов увеличения времени работы ИПМК-актюаторов является капсулирование, т. е. нанесение на актюатор защитной пленки, препятствующей испарению жидкости. В качестве материала такой пленки наиболее часто используется парилен, наносимый из газовой фазы. ● Экспериментально было установлено, что время непрерывной работы капсулированного париленом ИПМК-актюатора при управляющем напряжении 5 В в 10 раз больше, чем у некапсулированного актюатора. ● На основе капсулированных париленом ИПМК-структур были изготовлены ИПМК-сенсоры. Результаты их исследования показали, что выходной сигнал на порядок выше у образцов, капсулированных париленом. При этом время непрерывной работы сенсора у образцов, капсулированных париленом, составило несколько дней. ● Для увеличения времени непрерывной работы ИПМК-актюаторов целесообразно пропитывать их растворителями с более высокой температурой кипения, чем у воды, например, ионными жидкостями. Амплитуды отклонения актюаторов, пропитанных ионной жидкостью EMIM-BF4, оказались более чем в 3 раза меньше, чем у актюаторов, пропитанных водой. При этом ИПМК-актюаторы, пропитанные ИЖ, способны непрерывно работать более 24 ч. Введение LiBF4 в состав электролита позволило увеличить амплитуды отклонения ИПМК-актюаторов, пропитанных ИЖ, более чем на 50 %. Результаты решения задачи 4 ● Экспериментально установлено, что при изменении температуры от 20 до 50 ºС и относительной влажности от 30 до 95 % была замечена сильная зависимость амплитуды отклонения от относительной влажности окружающей среды, а существенной зависимости ее от температуры окружающей среды обнаружено не было. ● Были исследованы зависимости амплитуды отклонения ИПМК-актюаторов с Pt-электродами в воде от частоты при амплитуде синусоидального управляющего напряжения 5 В и температуре воды 30…50 ºС. В исследованных диапазонах температур существенной зависимости амплитуды отклонения от температуры воды обнаружено не было. ● Исследования влияния ионной силы жидкости на работу ИПМК-актюаторов показали, что у всех образцов ИПМК-актюаторов на постоянном и переменном управляющем напряжении наблюдалась общая тенденция к уменьшению отклонения (амплитуды отклонения) с увеличением ионной силы раствора. У образцов, работающих на постоянном напряжении, отклонение уменьшилось с 3 до 1 мм, а у образцов, работающих на переменном управляющем напряжении (5 Гц), амплитуда отклонения уменьшилась с 1,5 до 0,5 мм. ● Исследования влияния ионной силы жидкости на работу ИППК-актюаторов показали, что в жидкостях амплитуда отклонения оказалась выше, чем на воздухе, причем с увеличением ионной силы раствора она уменьшалась. Возрастание амплитуды отклонения в жидкостях по сравнению с воздухом можно объяснить влиянием электрохимических процессов окисления и восстановления в PEDOT-электродах, которые усиливаются в жидкой среде. Результаты решения задачи 5 ● Разработана технология формирования заданной топологии электродов ИМПК-актюаторов на основе использования эксимерного лазера. Метод лазерной абляции не требует переворачивать образец для формирования заданной топологии на обоих электродах и обеспечивает большую точность. ● Разработана технология формирования заданной топологии электродов ИПМК-актюаторов с использованием технологий фотолитографии и РИПТ. ● Разработана технология получения электродов произвольной геометрии на поверхности ионообменной мембраны на основе аддитивных печатных технологий. Металлические пленки формировались проводящими чернилами на основе золя монокристаллических наночастиц серебра в монометиловом эфире трипропиленгликоля.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Целью второго этапа проекта являлось улучшение характеристик движителей для биомиметических микроробототехнических систем и разработка модифицированных плавающих и шагающих биомиметических микроробототехнических систем. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи: 1. Совершенствование технологий изготовления движителей на основе ЭАП-актюаторов 2. Разработка и исследование модифицированных моделей плавающих биомиметических микроробототехнических систем 3. Разработка и исследование модифицированных моделей шагающих биомиметических микроробототехнических систем 4. Разработка и исследование биомиметических микроманипуляторов твердых объектов (микрозажимы) 5. Разработка и исследование модифицированных биомиметических микроманипуляторов жидкостей (микрофлюидные насосы) Результаты решения задачи 1 • Для формирования полимерных электродов, модифицированных наночастицами платины, предварительно были получены PEDOT-электроды на поверхности мембраны из полимера «Нафион 117» методом in situ полимеризации, на которые затем осаждалась платина восстановлением из водного раствора соли. Присутствие наночастиц платины, диспергированных на PEDOT-электродах, улучшает барьерный эффект, уменьшая потери растворителя через поверхность электрода. • Введение добавок восстановленного оксида графена в PEDOT-электроды осуществлялось в процессе проведения in situ полимеризации EDOT. Проводимость полученных электродов на поверхности мембраны оказалась на 30 % выше, чем у немодифицированных PEDOT-электродов. • При получении электродов заданной топологии на поверхности ионообменной мембраны в ИПМК-актюаторах методом лазерной абляции путем оптимизации условий лазерных импульсов была достигнута достаточная изоляция при ширине канавок 100 мкм. • Электроды заданной топологии на поверхности ионообменной мембраны в ИППК-актюаторах удалось получить методом in situ полимеризации EDOT с использованием трафаретов, полученных с помощью фотополимерной 3D-печати. • Методом лазерной абляции была создана топология электродов, позволяющая реализовать ИПМК-актюаторный преобразователь с системой обратной связи на основе ИПМК-актюатора и ИПМК-сенсораа, размещенных на одной мембране. • Методом in situ полимеризации EDOT с использованием трафарета были получены ИППК-актюаторы, с топологией электродов в виде нескольких полосок. Движители на их основе способны совершать волнообразное движение и могут использоваться в скатоподобных плавающих роботах. Результаты решения задачи 2 • Для исследования MPA-движения (median and/or paired actuator) с помощью актюаторов с заданной топологией электродов предварительно была разработана робототехническая система «Катамаран-2», позволяющая имитировать волнообразные движения рыб, пользующихся срединным и парными килями. Она представляет собой два поплавка, между которыми находится управляющая плата с источником питания. Движитель расположен посередине системы и целиком погружен в воду. • На основе полученных данных для имитации и изучения волнообразного движения плавников была разработана автономная система «Скат-2» с дистанционным управлением через Wi-Fi. Движитель состоит из пары плавников, каждый из которых состоит из активной части (шести параллельно соединенных ИППК-актюаторов) и пассивной части. Плавники расположены по бокам в средней части системы и совершают поступательные движения «вверх-вниз». • Предложен алгоритм движения роботизированной рыбы, который представляет собой поочередное движение нечетных и четных ИППК-актюаторов. Таким образом реализуется волнообразная форма плавника и задается импульс для толчка. • Максимальная скорость передвижения системы «Скат-2» составила 60 мм/с на частоте 0,6 Гц. Результаты решения задачи 3 • Новый разработанный миниробот «Многоножка» имеет шесть «ног», что позволяет реализовать более быстрые адаптивные алгоритмы передвижения с одновременным перемещением нескольких конечностей. • Разработана новая конструкция «ног» для шагающего миниробота, состоящего из трех подвижных членов, вращающихся вокруг трех осей. Для придания прочности и легкости конструкции члены выполнены в виде траверс, по обе стороны от которых расположены ИПМК-актюаторы; контактирование осуществляется посредством зажимов с золотыми контактами, расположенными на четверти длины актюатора от оси. Быстросъемность «ног» обеспечена разъемным соединением с использованием скользящих контактов, выполненных на печатной плате. • Система управления минироботом «Многоножка» представляет собой контроллер дистанционного управления, два контроллера, отвечающие за алгоритм передвижения, и усилитель сигналов, выполненный на полевых транзисторах, расположенных на отдельных платах. Выходной сигнал представляет собой импульс прямоугольной формы длительностью 0,5…1,5 с и амплитудой 4 В. Источником питания служит Li-ion аккумулятор. • Разработана конструкция контактного датчика для определения касания поверхности конечностью шагающего робота, основанная на измерении положения «копыта» робота, присоединенного к «ноге» через шарнирное соединение, которое при этом изгибало встроенный в систему ИПМК-сенсор длиной 8 мм и шириной 3 мм. Результаты решения задачи 4 • Для создания постоянного усилия при манипулировании твердыми объектами необходимо использовать актюаторы в режиме постоянного прилагаемого напряжения в течение длительного времени. Для этих целей целесообразно использовать ИПМК-актюаторы, пропитанные ионной жидкостью EMIM-BF4, у которых отсутствует эффект обратной релаксации. • Для моделирования и анализа поведения ИПМК-актюаторов в качестве манипуляторов или фиксаторов была разработана микроманипуляторная система на их основе, предназначенная для фиксации предметов и манипуляции ими, состоящая из трех приводов для обеспечения ее подвижности во всех плоскостях. • Разработаны методики измерения и измерительный стенд для исследования основных характеристик изготовленных микроманипуляторов. Результаты решения задачи 5 • ИПМК-актюаторы могут быть использованы в качестве движителей в мембранных микрофлюдных насосах, которые могут применяться для доставки лекарств и биологических жидкостей. • Разработаны конструкция и прототип бесклапанного миниатюрного микрофлюидного насоса (МФН-1) с элементами «сопло/диффузор», приводом на основе ИПМК-актюатора и корпусом из полиметилметакрилата и поликарбоната. Общий размер прототипа МФН-1 – 58,3 × 50,8 × 18 мм. • На основе результатов исследования МФН-1 была разработана усовершенствованная конструкция второго поколения МФН-2, изготовленная из фотополимерной смолы методом 3D-печати. Габаритные размеры МФН-2 составили 29 × 27 × 10,4 мм. • Исследовано влияние величины управляющего напряжения на расход и напор наоса. Максимальная скорость потока жидкости, которая составляет 5,33 мкл/c, обеспечивается размахом 10 В и частотой 0,4 Гц.