RU175272U1 - ELECTRICALLY CONTROLLED ELEMENT OF THE EXECUTIVE DEVICE BASED ON HYDROGEL - Google Patents

ELECTRICALLY CONTROLLED ELEMENT OF THE EXECUTIVE DEVICE BASED ON HYDROGEL Download PDF

Info

Publication number
RU175272U1
RU175272U1 RU2016131924U RU2016131924U RU175272U1 RU 175272 U1 RU175272 U1 RU 175272U1 RU 2016131924 U RU2016131924 U RU 2016131924U RU 2016131924 U RU2016131924 U RU 2016131924U RU 175272 U1 RU175272 U1 RU 175272U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydrogel
ring
electrically controlled
polyvinyl alcohol
controlled element
Prior art date
Application number
RU2016131924U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Юрьевич Дмитриев
Наталья Вадимовна Боброва
Владимир Петрович Иванов
Галина Казимировна Ельяшевич
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук
Priority to RU2016131924U priority Critical patent/RU175272U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU175272U1 publication Critical patent/RU175272U1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03GSPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like

Landscapes

  • Manipulator (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Предложение относится к области электроактивных изделий из высокомолекулярных соединений с эффектом преобразования электрической энергии в механическую. Электроуправляемый элемент исполнительного устройства может быть использован в робототехнических, биомедицинских системах и в автоматике. Электроуправляемый элемент выполнен в виде вытянутого кольца, малые диаметры которого соответствуют диаметрам электродов, между которыми натянут гидрогель, что снижает контактные деформации гидрогеля при креплении электродов и уменьшает контактные сопротивления, причем усилия при его срабатывании передаются подвижным электродам через гидрогель, между которыми он натянут. Это позволяет регулировать постоянную времени его механического отклика при подаче электрического тока соответствующим выбором диаметра сечения кольца гидрогеля без изменения остальных размеров. Технологические особенности заключаются в том, что исходные составы заливаются в разъемную фторопластовую форму с высокой степенью чистоты поверхности в последующем термостатировании и извлечении полученного кольца, которое затем выдерживается в растворе электролита (хлорид натрия, сульфат натрия и др.) до достижения равновесного набухания. Кольца готовятся из смеси одного из наборов химикатов: а) водного раствора поливинилового спирта с акриловой кислотой метиленбисакриламидом в качестве сшивателя и персульфатом аммония в качестве инициатора, б) водного раствора поливинилового спирта с метакриловой кислотой, метиленбисакриламидом в качестве сшивателя и персульфатом аммония в качестве инициатора, в) водного раствора поливинилового спирта с акриламидметилпропансульфоновой кислотой, метиленбисакриламидом в качестве сшивателя и персульфатом аммония в качестве инициатора. Указанные подходы обеспечивают возможность использования в качестве внешнего воздействия, вызывающего сжатие кольцевого элемента, не только электрический ток, но и изменение pH среды, в которую он погружен.The proposal relates to the field of electroactive products from high molecular weight compounds with the effect of converting electrical energy into mechanical energy. The electrically controlled element of the actuator can be used in robotic, biomedical systems and in automation. The electrically controlled element is made in the form of an elongated ring, the small diameters of which correspond to the diameters of the electrodes between which the hydrogel is stretched, which reduces the contact deformation of the hydrogel when attaching the electrodes and reduces contact resistance, and when it is triggered, the forces are transmitted to the movable electrodes through the hydrogel, between which it is stretched. This allows you to adjust the time constant of its mechanical response when applying electric current by appropriate choice of the diameter of the cross section of the hydrogel ring without changing the remaining dimensions. Technological features consist in the fact that the initial compositions are poured into a releasable fluoroplastic form with a high degree of surface purity in the subsequent thermostating and extraction of the obtained ring, which is then aged in an electrolyte solution (sodium chloride, sodium sulfate, etc.) until equilibrium swelling is achieved. Rings are prepared from a mixture of one of the sets of chemicals: a) an aqueous solution of polyvinyl alcohol with acrylic acid methylene bisacrylamide as a crosslinker and ammonium persulfate as an initiator, b) an aqueous solution of polyvinyl alcohol with methacrylic acid, methylene bisacrylamide as a crosslinker and ammonium persulfate, c) an aqueous solution of polyvinyl alcohol with acrylamide methyl propanesulfonic acid, methylene bisacrylamide as a crosslinker and ammonium persulfate as an initiato a. These approaches provide the possibility of using not only electric current, but also a change in the pH of the medium in which it is immersed as an external influence causing compression of the ring element.

Description

Предложение относится к области электроактивных изделий из высокомолекулярных соединений, которые демонстрируют выраженный эффект преобразования электрической энергии в механическую. Электроуправляемый элемент исполнительного устройства может быть использован в робототехнических, биомедицинских системах и в системах автоматизации. Развитие автоматики, робототехники, в том числе в мини- микро- и наноисполнении, настоятельно требует создания исполнительных устройств соответствующего уровня.The proposal relates to the field of electroactive products from macromolecular compounds, which demonstrate a pronounced effect of converting electrical energy into mechanical energy. The electrically controlled element of the actuator can be used in robotic, biomedical systems and in automation systems. The development of automation, robotics, including in mini-micro and nano-execution, urgently requires the creation of actuators of the appropriate level.

К настоящему времени отработаны и внедрены в производство электромеханические исполнительные устройства, осуществляющие как вращательное, так и поступательное движение. Как правило, они состоят из электродвигателя (асинхронного, переменного и постоянного токов), статор которого расположен по окружности или развернут в линию. Соответственно якорь в первом случае осуществляет вращательное движение (электродвигатели вращения), во втором - линейное перемещение относительно статора (линейные электродвигатели). Достаточно часто применяются пневматические и гидравлические исполнительные устройства поршневого типа для линейного движения, аксиально-поршневые или радиально-поршневые машины, турбины различных типов для вращательного движения, работающие от аккумулятора давления или (через ресивер) от компрессорных агрегатов, приводимых в движение поршневыми, турбинными или электрическими машинами различных типов. Все указанные выше устройства реализуют тяговые усилия (при поступательном движении) в достаточно широком диапазоне от 10 до 1000000 н. Одним из перспективных и приоритетных направлений развития современной робототехники является создание роботов с геометрическими размерами мини-, микро- и наноуровней. Разработка и производство таких роботов сопряжены с рядом трудностей. К их числу относится ограниченный сортимент выпускаемых исполнительных устройств в указанном диапазоне геометрических размеров и технических характеристик. Помимо организационных и производственных аспектов эта проблема имеет определенные физические и химические ограничения. С уменьшением геометрических размеров энергетическая эффективность исполнительных устройств в традиционном исполнении неизбежно падает. Это связано с тем, что для низкоразмерных систем все большее значение приобретают силы молекулярного сцепления, и при некотором уровне размеров устройств они превышают силы трения, а при дальнейшем уменьшении размеров силы молекулярного сцепления начинают разрушать материал (металл). Отметим также, что с уменьшением геометрических размеров исполнительных устройств в традиционном исполнении ряд физических ограничений преодолеть невозможно. Например, для того чтобы получить необходимую электродвижущую силу обмотки электродвигателей, реле и др. приходится выполнять все более и более тонким проводом. Однако при этом резко возрастает его омическое сопротивление и при дальнейшем уменьшении размеров это приводит к плавлению провода. К тому же для изготовления механических деталей микро- и наноразмеров практически отсутствует станочный парк. Поэтому при создании исполнительных устройств в микро- и наноисполнении приходится прибегать к нетрадиционным методам их синтеза за счет отказа от традиционного построения исполнительных устройств и перехода к исполнительным устройствам на иных принципах, в том числе с помощью использования полимерных материалов, способных изменять свою форму, геометрические размеры, физико-механические характеристики под внешним воздействием («искусственные мышцы»). Отметим, что ввиду относительной новизны исследований в данном направлении, терминология «искусственных мышц» еще не сложилась. В ГОСТе исполнительные устройства на электроактивных полимерах не прописаны, соответствующая терминология отсутствует [ГОСТ 14691-69. Устройства исполнительные для систем автоматического регулирования. Термины]. К числу новых материалов для создания исполнительных устройств относятся полимерные гидрогели. Работы в области создания полимерных гидрогелей с выраженным электрохемомеханическим откликом являются перспективным бионическим направлением для поисковых исследований в области «мягкой» органической электроники, разработки компактных и миниатюрных устройств захвата и позиционирования, андроидной техники, разного рода интеллектуальных материалов биомедицинского назначения (например, для экзоскелетов, дисплеев Брайля), совмещенных сенсоров-актюаторов и т.д. По таким параметрам, как энергоэффективность и массогабариты, искусственные мускулы и исполнительные устройства на основе полимерных гидрогелевых материалов приближаются к человеческим мышцам. В настоящее время известны лишь отдельные устройства, использующие электроуправляемые гидрогели данного типа.To date, electromechanical actuators that carry out both rotational and translational motion have been developed and introduced into production. As a rule, they consist of an electric motor (asynchronous, alternating and constant currents), the stator of which is located around a circle or deployed in a line. Accordingly, in the first case, the anchor carries out rotational motion (rotation electric motors), in the second - linear movement relative to the stator (linear electric motors). Piston-type pneumatic and hydraulic actuators are often used for linear motion, axial-piston or radial-piston machines, various types of turbines for rotary motion, operating from a pressure accumulator or (through a receiver) from compressor units driven by piston, turbine or electric machines of various types. All of the above devices realize traction (with translational motion) in a fairly wide range from 10 to 1,000,000 n. One of the promising and priority areas of development of modern robotics is the creation of robots with geometric dimensions of mini, micro and nanoscale. The development and production of such robots is fraught with a number of difficulties. These include a limited range of actuators in the specified range of geometric dimensions and technical characteristics. In addition to organizational and production aspects, this problem has certain physical and chemical limitations. With a decrease in geometric dimensions, the energy efficiency of actuators in a traditional design inevitably falls. This is due to the fact that molecular cohesion forces are becoming increasingly important for low-dimensional systems, and at a certain level of device size they exceed the friction forces, and with a further decrease in the size of the molecular cohesion forces, they begin to destroy the material (metal). We also note that with a decrease in the geometric dimensions of actuators in the traditional design, a number of physical limitations cannot be overcome. For example, in order to obtain the necessary electromotive force of the winding of electric motors, relays, etc., it is necessary to carry out an increasingly thin wire. However, in this case, its ohmic resistance sharply increases and with a further decrease in size, this leads to melting of the wire. In addition, for the manufacture of mechanical parts of micro- and nanoscale, there is practically no machinery stock. Therefore, when creating actuators in micro- and nano-execution, one has to resort to non-traditional methods for their synthesis due to the rejection of the traditional construction of actuators and the transition to actuators on other principles, including through the use of polymeric materials that can change their shape, geometric dimensions , physical and mechanical characteristics under external influence ("artificial muscles"). Note that due to the relative novelty of research in this area, the terminology of “artificial muscles” has not yet been established. In GOST, actuators on electroactive polymers are not registered, there is no corresponding terminology [GOST 14691-69. Executive devices for automatic regulation systems. Terms]. New materials for creating actuators include polymer hydrogels. Work in the field of creating polymer hydrogels with a pronounced electrochemomechanical response is a promising bionic direction for research in the field of “soft” organic electronics, the development of compact and miniature capture and positioning devices, android technology, various kinds of intelligent biomedical materials (for example, for exoskeletons, displays Braille), combined actuator sensors, etc. By such parameters as energy efficiency and mass dimensions, artificial muscles and actuators based on polymer hydrogel materials are approaching human muscles. Currently, only a few devices are known that use electrically controlled hydrogels of this type.

В основе идеи применения гидрогелей в качестве активных элементов исполнительных устройств лежит их способность сильно менять степень набухания при малых изменениях внешних условий (электрическое поле, pH среды, ионная сила, световое и тепловое воздействие). Деформация (сжатие, растяжение, изгиб) полиэлектролитного гидрогеля в электрическом поле имеет электрокинетическую и электроосмотическую природу вследствие выраженного изменения его степени набухания при смещении ионного равновесия в объеме гидрогеля, транспорта ионов через гидрогель и электрохимических реакций на электродах.The idea of using hydrogels as the active elements of actuators is based on their ability to greatly change the degree of swelling under small changes in external conditions (electric field, pH of the medium, ionic strength, light and heat). The deformation (compression, tension, bending) of a polyelectrolyte hydrogel in an electric field has an electrokinetic and electroosmotic nature due to a pronounced change in its degree of swelling when the ion equilibrium shifts in the hydrogel volume, ion transport through the hydrogel, and electrochemical reactions on the electrodes.

Несмотря на кажущуюся простоту получения полимерных гидрогелей, исследователи сталкиваются с серьезным затруднением, которое связано с задачей интеграции электроуправляемого элемента на основе гидрогеля в механизм исполнительного устройства.Despite the apparent simplicity of producing polymer hydrogels, the researchers are faced with a serious difficulty associated with the task of integrating an electrically controlled element based on a hydrogel into the mechanism of the actuator.

Основные трудности использования гидрогелей в исполнительных устройствах связаны: 1) с низкими физико-механическими характеристиками гидрогелей, 2) трудностью формообразования изделий из гидрогелей, 3) сложностью подачи электрического тока к гидрогелю (проблема электродов).The main difficulties in using hydrogels in actuators are associated with: 1) the low physical and mechanical characteristics of hydrogels, 2) the difficulty of forming products from hydrogels, 3) the difficulty of supplying electric current to the hydrogel (the problem of electrodes).

Известен подход к конструированию исполнительного устройства с электроуправляемым элементом на основе гидрогеля, в котором цилиндрический образец гидрогеля поджат пружиной между двумя плоскими торцами электродов [US 5,389,222, 14.02.1993, Shahinpoor]. Включение электрического поля вызывает сжатие гидрогелевого элемента; при выключенном поле гидрогель восстанавливает размер под действием пружины. В другом варианте указанного патента кольцеобразный гидрогель подпружинен и прикреплен к шпинделю. Подача переменного поля на двух противоположных сторонах от кольца вызывает попеременное сокращение и сжатие противоположных сторон кольца, благодаря чему происходит вращение шпинделя то в одну, то в другую сторону. Существенным недостатком данной конструкции является то, что задача восстановления исходного размера электроуправляемого элемента на основе гидрогеля решается с помощью возвратной пружины, а также то, что в этом изобретении не решается проблема передачи усилия от гидрогеля в исполнительном устройстве.There is an approach to designing an actuator with an electrically controlled element based on a hydrogel, in which a cylindrical sample of the hydrogel is spring-loaded between two flat ends of the electrodes [US 5,389,222, 02/14/1993, Shahinpoor]. The inclusion of an electric field causes compression of the hydrogel element; when the field is off, the hydrogel restores size under the action of the spring. In another embodiment of said patent, the annular hydrogel is spring loaded and attached to the spindle. The supply of an alternating field on two opposite sides of the ring causes alternate contraction and compression of the opposite sides of the ring, due to which the spindle rotates in one direction or the other. A significant drawback of this design is that the task of restoring the original size of the electrically controlled element based on a hydrogel is solved using a return spring, as well as the fact that this invention does not solve the problem of the transfer of force from the hydrogel in the actuator.

Известен способ, в котором цилиндрический образец из гидрогеля используется в качестве электроуправляемого элемента при расположении электрода внутри самого геля [US 20070190150 A1, 16.08.2007, Ito и др]. Электродом является закрученная в спираль проволока, которая разжимается и сжимается внутри объема гидрогеля при изменении его степени набухания. При этом для активации используется электрохимически контролируемый процесс выделения водорода на электроде. С этой целью применяется специальный электродный материал, обладающий эффектом окклюзии. Недостатком данного подхода является дороговизна электрода, который предлагается изготавливать из палладия. Кроме того, в данном способе не предложено решения проблемы крепления гидрогеля в исполнительное устройство и передачи генерируемого усилия и перемещения.A known method in which a cylindrical sample of a hydrogel is used as an electrically controlled element when the electrode is located inside the gel itself [US 20070190150 A1, 08.16.2007, Ito and others]. The electrode is a wire twisted into a spiral, which is expanded and compressed inside the hydrogel volume when its degree of swelling changes. In this case, an electrochemically controlled process of hydrogen evolution at the electrode is used for activation. To this end, a special electrode material with an occlusion effect is used. The disadvantage of this approach is the high cost of the electrode, which is proposed to be made from palladium. In addition, this method has not proposed a solution to the problem of attaching a hydrogel to an actuator and transmitting the generated force and movement.

Наиболее близким изобретением к заявляемому - прототипом - является система, состоящая из сферического образца гидрогеля, в котором размещаются электроды, обработанных плазмой, а сам гидрогель погружен в капсулу из эластомера [US 008088453 B1, 03.01.2012, Rasmussen]. Действие электрического поля вызывает объемную деформацию гидрогеля, которая проявляется в сплющивании шара. Деформация гидрогелевого шара преобразуется в движение за счет системы рычажков, которые прикреплены к эластичной сферической капсуле. Таким образом, изменение объема геля преобразуется в поступательное движение рычажков. Кроме описанного выше, автор предполагает использование разработанной системы в форме тора в качестве перистальтического клапана или насоса.The closest invention to the claimed one - the prototype - is a system consisting of a spherical sample of a hydrogel in which the electrodes treated with plasma are placed, and the hydrogel itself is immersed in an elastomer capsule [US 008088453 B1, 03.01.2012, Rasmussen]. The action of the electric field causes volumetric deformation of the hydrogel, which manifests itself in the flattening of the ball. The deformation of the hydrogel ball is converted into motion by a system of levers that are attached to an elastic spherical capsule. Thus, a change in the volume of the gel is converted into translational movement of the levers. In addition to the above, the author suggests using the developed system in the form of a torus as a peristaltic valve or pump.

Недостатком данного решения является его избыточная сложность, связанная с необходимостью формирования эластомерного покрытия на поверхности гидрогелевого элемента и передачей усилия через это покрытие на систему рычагов. Другой недостаток заключается в том, что генерация силы и перемещения обеспечивается с использованием рычажной системы, что накладывает определенные ограничения, связанные с золотым правилом механики. Авторами не предусмотрено использование гидрогеля в качестве тягового элемента, который обеспечивает прямую передачу тягового усилия на исполнительное устройство. Существенным недостатком прототипа является сложность достижения заданного уровня скорости электромеханического отклика и перемещения без масштабирующих рычажных устройств.The disadvantage of this solution is its excessive complexity associated with the need to form an elastomeric coating on the surface of the hydrogel element and the transfer of force through this coating to the lever system. Another disadvantage is that the generation of force and displacement is provided using a lever system, which imposes certain restrictions associated with the golden rule of mechanics. The authors do not provide for the use of hydrogel as a traction element, which provides direct transmission of traction to the actuator. A significant disadvantage of the prototype is the difficulty of achieving a given level of speed of the electromechanical response and movement without scaling lever devices.

Таким образом, анализ известных аналогов показал, что проблема создания электроуправляемых элементов исполнительных устройств для робототехники микро- и наноуровня на основе полимерных материалов, прежде всего гидрогелей, остается актуальной.Thus, the analysis of well-known analogues showed that the problem of creating electrically controlled elements of actuators for robotics of the micro- and nanoscale based on polymer materials, primarily hydrogels, remains relevant.

Задачей заявляемого предложения является создание исполнительного устройства, в котором электроуправляемый элемент выполнен целиком из набухающего гидрогеля, прикрепленного непосредственно к электродам, и который способен к электромеханическому отклику и перемещению без дополнительных принудительных рычажных устройств (как в устройстве-прототипе).The objective of the proposed proposal is the creation of an actuator in which the electrically-controlled element is made entirely of a swelling hydrogel attached directly to the electrodes, and which is capable of electromechanical response and movement without additional forced lever devices (as in the prototype device).

Указанная задача решается заявляемой полезной моделью - электроуправляемым элементом исполнительного устройства на основе полимерного гидрогеля.This problem is solved by the claimed utility model - an electrically-controlled element of the actuator based on a polymer hydrogel.

Заявляемая полезная модель характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, которые одновременно являются и отличительными от устройства-прототипа:The inventive utility model is characterized by the following set of essential features, which are simultaneously distinctive from the prototype device:

1) для снижения контактных напряжений деформации, возникающих при креплении гидрогеля к электроду, элемент выполнен в виде вытянутого кольца 1 (см. фиг.), малые диаметры которого соответствуют диаметрам электродов 2, между которыми натянут гидрогель;1) to reduce the contact stresses of deformation that occur when the hydrogel is attached to the electrode, the element is made in the form of an elongated ring 1 (see Fig.), The small diameters of which correspond to the diameters of the electrodes 2, between which the hydrogel is stretched;

2) для снижения контактных электрических сопротивлений элемент выполнен в виде вытянутого кольца 1, натянутого на подвижные электроды 2, причем воздействие внешнего импульса тока, подводимого через электроды, вызывает изменение межосевого расстояния за счет сжатия кольца;2) to reduce contact electrical resistances, the element is made in the form of an elongated ring 1, stretched over the movable electrodes 2, and the action of an external current pulse supplied through the electrodes causes a change in the center distance due to compression of the ring;

3) усилия при его срабатывании за счет сжатия кольца передаются подвижным электродам через гидрогель, между которыми он натянут;3) the forces when it is triggered due to compression of the ring are transferred to the moving electrodes through the hydrogel, between which it is stretched;

4) постоянная времени его механического отклика при подаче электрического тока регулируется соответствующим выбором диаметра кольца гидрогеля;4) the time constant of its mechanical response when applying electric current is regulated by the appropriate choice of the diameter of the hydrogel ring;

5) в качестве внешнего воздействия, вызывающего сжатие кольца, может использоваться не электрический ток, а изменение рН среды, в которую он погружен;5) as an external influence causing compression of the ring, not an electric current can be used, but a change in the pH of the medium in which it is immersed;

6) структура и химический состав кольца на основе гидрогеля представляет собой двойную взаимопроникающую сетку, один из компонентов которой является сшитой полиакриловой кислотой, а второй - поливиниловым спиртом, при этом концентрация всех используемых для получения гидрогеля реагентов соответствует оптимальной с точки зрения достижения выраженного электромеханического отклика и приемлемого уровня механических свойств: кольцо готовится путем радикальной полимеризации 25%-го водного раствора акриловой кислоты с использованием метиленбисакриламида в качестве сшивателя и персульфата аммония в качестве инициатора в 10%-м водном растворе поливинилового спирта; указанная реакционная смесь впрыскивается в разъемную фторопластовую форму с высокой степенью чистоты поверхности и предварительно обезжиренную, термостатируется при 50°С в течение 30 мин., после чего полученное кольцо извлекается и погружается в раствор электролита (например, хлорида натрия, сульфата натрия и др.) до достижения равновесного набухания,6) the structure and chemical composition of the hydrogel-based ring is a double interpenetrating network, one of the components of which is crosslinked polyacrylic acid, and the second is polyvinyl alcohol, while the concentration of all reagents used to obtain the hydrogel corresponds to the optimum in terms of achieving a pronounced electromechanical response and acceptable level of mechanical properties: the ring is prepared by radical polymerization of a 25% aqueous solution of acrylic acid using meth enbisakrilamida as a crosslinking agent, and ammonium persulfate as the initiator in a 10% aqueous solution of polyvinyl alcohol; the specified reaction mixture is injected into a releasable PTFE mold with a high degree of surface cleanliness and pre-defatted, thermostated at 50 ° C for 30 minutes, after which the resulting ring is removed and immersed in an electrolyte solution (for example, sodium chloride, sodium sulfate, etc.) until equilibrium swelling is achieved,

7) в качестве смеси для изготовления кольца можно использовать водный раствор поливинилового спирта (концентрация 10%) с метакриловой кислотой (концентрация 25%) с сшивателем метиленбисакриламидом и инициатором персульфатом аммония; указанная смесь заливается в разъемную фторопластовую форму с высокой степенью чистоты поверхности, термостатируется при 50°С в течение 30 мин., после чего полученное кольцо извлекается и погружается в раствор электролита (например, хлорида натрия, сульфата натрия и др.) до достижения равновесного набухания;7) as a mixture for the manufacture of the ring, you can use an aqueous solution of polyvinyl alcohol (concentration 10%) with methacrylic acid (concentration 25%) with a crosslinker methylene bisacrylamide and an initiator of ammonium persulfate; this mixture is poured into a detachable PTFE mold with a high degree of surface cleanliness, thermostatically controlled at 50 ° C for 30 minutes, after which the resulting ring is removed and immersed in an electrolyte solution (for example, sodium chloride, sodium sulfate, etc.) until equilibrium swelling is achieved. ;

8) в качестве смеси для изготовления кольца можно использовать водный раствор поливинилового спирта (концентрация 10%) с акриламидметилпропансульфоновой кислотой (концентрация 25%) с сшивателем метиленбисакриламидом и инициатором персульфатом аммония; указанная смесь заливается в разъемную фторопластовую форму с высокой степенью чистоты поверхности, термостатируется при 50°С в течение 30 мин., после чего полученное кольцо извлекается и погружается в раствор электролита (например, хлорида натрия, сульфата натрия и др.) до достижения равновесного набухания.8) as a mixture for the manufacture of the ring, you can use an aqueous solution of polyvinyl alcohol (concentration 10%) with acrylamide methylpropanesulfonic acid (concentration 25%) with a crosslinker methylene bisacrylamide and an initiator of ammonium persulfate; this mixture is poured into a detachable PTFE mold with a high degree of surface cleanliness, thermostatically controlled at 50 ° C for 30 minutes, after which the resulting ring is removed and immersed in an electrolyte solution (for example, sodium chloride, sodium sulfate, etc.) until equilibrium swelling is achieved. .

Совокупность существенных признаков заявляемого устройства обеспечивает получение технического результата - создание электроуправляемого устройства, изготовленного целиком из специально подобранного полимерного гидрогеля, обеспечивающего необходимый уровень механических и электрофизических свойств, в оригинальной форме - в виде кольца. Кольцо конструктивно обеспечивает надежное крепление гидрогеля к электроду, передачу усилия и деформации от гидрогеля к исполнительному устройству с необходимым уровнем перемещения и скорости электромеханического отклика без использования масштабирующих вспомогательных (рычажных) элементов. Это позволяет снизить тепловыделение управляемого элемента и величину управляющего электрического потенциала. Кроме того, заявляемое устройство позволяет использовать способность заявляемого гидрогеля совершать механическую работу не только под действием электрического поля, но и при варьировании параметров внешней среды, таких как рН жидкости, в которую погружены управляемые элементы устройства, что экономит энергоресурс.The set of essential features of the claimed device provides a technical result - the creation of an electrically controlled device made entirely of specially selected polymer hydrogel, which provides the necessary level of mechanical and electrophysical properties, in the original form - in the form of a ring. The ring structurally provides reliable fastening of the hydrogel to the electrode, the transfer of force and deformation from the hydrogel to the actuator with the necessary level of movement and speed of the electromechanical response without the use of scaling auxiliary (lever) elements. This allows to reduce the heat emission of the controlled element and the value of the control electric potential. In addition, the claimed device allows you to use the ability of the claimed hydrogel to perform mechanical work not only under the influence of an electric field, but also when varying the parameters of the external environment, such as the pH of the liquid into which the controlled elements of the device are immersed, which saves energy.

Пример конкретной реализации.An example of a specific implementation.

Использовали гидрогель на основе взаимопроникающей сетки поливинилового спирта и полиакриловой кислоты. 10%-й водный раствор поливинилового спирта с молекулярной массой 70000 смешивали с 25%-м раствором акриловой кислоты, метиленбисакриламидом (0.36%) и персульфатом аммония (0.001%) и заливали в замкнутую пресс-форму из фторопласта с помощью шприца. Формующая полость пресс-формы представляла собой вытянутое кольцо круглое в поперечном сечении с наружными габаритными размерами L×H=47×l3 мм (см. фиг.) и диаметром поперечного сечения 2 мм. Формующая полость предварительно была тщательно обезжирена. Сомкнутую пресс-форму, заполненную полимеризационной смесью, помещали в термостат при температуре 50°C и выдерживали в течение 30 мин. После этого форму разнимали, гидрогель в виде кольца извлекали из пресс-формы и погружали в 5%й водный раствор сульфата натрия на сутки. Равновесно набухшее кольцо имело степень набухания 3.5 г/г, модуль упругости 20 кПа, прочность на разрыв 70 кПа и относительное удлинение на разрыв 375%.A hydrogel based on an interpenetrating network of polyvinyl alcohol and polyacrylic acid was used. A 10% aqueous solution of polyvinyl alcohol with a molecular weight of 70,000 was mixed with a 25% solution of acrylic acid, methylene bisacrylamide (0.36%) and ammonium persulfate (0.001%) and filled into a closed fluoroplastic mold using a syringe. The molding cavity of the mold was an elongated ring round in cross section with external dimensions L × H = 47 × l3 mm (see Fig.) And a cross-sectional diameter of 2 mm. The forming cavity was previously thoroughly degreased. A closed mold filled with a polymerization mixture was placed in a thermostat at a temperature of 50 ° C and held for 30 minutes. After this, the mold was removed, the hydrogel in the form of a ring was removed from the mold and immersed in a 5% aqueous solution of sodium sulfate for a day. The equilibrium swollen ring had a degree of swelling of 3.5 g / g, an elastic modulus of 20 kPa, a tensile strength of 70 kPa and a relative elongation of 375%.

Оценка эффективности заявляемого электроуправляемого элемента исполнительного устройства на основе полимерного гидрогеля проводилась на предварительном макете исполнительного устройства. Равновесно набухшее кольцо было подвешено между двумя графитовыми стержнями диаметром 8 мм, один из которых закреплен жестко, а второй является подвижным. К подвижному стержню была приложена небольшая нагрузка (около 0.05 H), достаточная для того, чтобы исключить провисание кольца. К графитовым стержням был присоединен источник постоянного электрического напряжения. Напряжение вызывало сжатие кольца, которое проявлялось в уменьшении расстояния между графитовыми стержнями. Получено, что на вытянутом кольце из гидрогеля с размерами L×H=35×10 мм и диаметром сечения 1.8 мм можно получить максимальное перемещение до 7 мм (без использования масштабирующих рычажных устройств) при средней скорости перемещения 1-1.5 мм/с. Рабочее напряжение на устройстве менялось от 30 до 100 В, ток находился в диапазоне 9-12 мА.Evaluation of the effectiveness of the inventive electrically-driven element of the actuator based on a polymer hydrogel was carried out on a preliminary layout of the actuator. An equilibrium swollen ring was suspended between two graphite rods with a diameter of 8 mm, one of which was rigidly fixed, and the second is movable. A small load (about 0.05 H) was applied to the movable shaft, sufficient to prevent sagging of the ring. A source of constant electrical voltage was connected to the graphite rods. The stress caused compression of the ring, which manifested itself in a decrease in the distance between the graphite rods. It was found that on an elongated hydrogel ring with dimensions L × H = 35 × 10 mm and a cross section diameter of 1.8 mm, a maximum displacement of up to 7 mm can be obtained (without using scaling lever devices) at an average displacement speed of 1-1.5 mm / s. The operating voltage on the device varied from 30 to 100 V, the current was in the range of 9-12 mA.

Таким образом, электроуправляемый элемент исполнительного устройства на основе гидрогеля обеспечивает создание на его основе эффективных устройств робототехники и автоматики.Thus, the electrically controlled element of the actuator based on the hydrogel ensures the creation of effective robotics and automation devices on its basis.

Claims (3)

1. Электроуправляемый элемент исполнительного устройства на основе гидрогеля, характеризующийся тем, что указанный элемент выполнен в виде вытянутого кольца, малые диаметры которого соответствуют диаметрам электродов, между которыми оно растянуто, вытянутое кольцо состоит из равновесно набухшего гидрогеля сшитой полиакриловой кислоты и поливинилового спирта в растворе электролита.1. An electrically controlled element of a hydrogel-based actuator, characterized in that said element is made in the form of an elongated ring, small diameters of which correspond to the diameters of the electrodes between which it is stretched, the elongated ring consists of an equilibrated hydrogel of crosslinked polyacrylic acid and polyvinyl alcohol in an electrolyte solution . 2. Электроуправляемый элемент по п. 1, отличающийся тем, что вытянутое кольцо состоит из равновесно набухшего гидрогеля сшитой полиметакриловой кислоты и поливинилового спирта в растворе электролита.2. An electrically controlled element according to claim 1, characterized in that the elongated ring consists of an equilibrium swollen hydrogel of crosslinked polymethacrylic acid and polyvinyl alcohol in an electrolyte solution. 3. Электроуправляемый элемент по п. 1, отличающийся тем, что вытянутое кольцо состоит из равновесно набухшего гидрогеля сшитой полиакриламидметилпропансульфоновой кислоты и поливинилового спирта.3. An electrically controlled element according to claim 1, characterized in that the elongated ring consists of an equilibrium swollen hydrogel of crosslinked polyacrylamide methyl propanesulfonic acid and polyvinyl alcohol.
RU2016131924U 2016-08-04 2016-08-04 ELECTRICALLY CONTROLLED ELEMENT OF THE EXECUTIVE DEVICE BASED ON HYDROGEL RU175272U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016131924U RU175272U1 (en) 2016-08-04 2016-08-04 ELECTRICALLY CONTROLLED ELEMENT OF THE EXECUTIVE DEVICE BASED ON HYDROGEL

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016131924U RU175272U1 (en) 2016-08-04 2016-08-04 ELECTRICALLY CONTROLLED ELEMENT OF THE EXECUTIVE DEVICE BASED ON HYDROGEL

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU175272U1 true RU175272U1 (en) 2017-11-29

Family

ID=60581963

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016131924U RU175272U1 (en) 2016-08-04 2016-08-04 ELECTRICALLY CONTROLLED ELEMENT OF THE EXECUTIVE DEVICE BASED ON HYDROGEL

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU175272U1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU4772A1 (en) * 1926-09-09 1928-02-29 Д.Л. Талмуд Device for reciprocating piston movement
US5389222A (en) * 1993-09-21 1995-02-14 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Spring-loaded polymeric gel actuators
US20070190150A1 (en) * 2004-03-18 2007-08-16 Sony Corporation Polymer actuator
US8088453B1 (en) * 2009-01-13 2012-01-03 Lenore Rasmussen Electroactive materials and electroactive actuators that act as artificial muscle, tendon, and skin
RU2577923C2 (en) * 2014-05-12 2016-03-20 Игорь Трофимович Пронькинов Method for producing mechanical energy by electroactive polymer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU4772A1 (en) * 1926-09-09 1928-02-29 Д.Л. Талмуд Device for reciprocating piston movement
US5389222A (en) * 1993-09-21 1995-02-14 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Spring-loaded polymeric gel actuators
US20070190150A1 (en) * 2004-03-18 2007-08-16 Sony Corporation Polymer actuator
US8088453B1 (en) * 2009-01-13 2012-01-03 Lenore Rasmussen Electroactive materials and electroactive actuators that act as artificial muscle, tendon, and skin
RU2577923C2 (en) * 2014-05-12 2016-03-20 Игорь Трофимович Пронькинов Method for producing mechanical energy by electroactive polymer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shahinpoor Artificial muscles: applications of advanced polymeric nanocomposites
US5250167A (en) Electrically controlled polymeric gel actuators
US7700129B2 (en) Polymer actuator
US20060050189A1 (en) Polymer actuator
Mirvakili et al. Artificial muscles: Mechanisms, applications, and challenges
Moschou et al. Artificial muscle material with fast electroactuation under neutral pH conditions
US20070196492A1 (en) Stimuli-Responesive Hydrogel,Production Method Of Stimuli-Responsive Hydrogel,And Polymer Actuator Using Stimuli-Responsive Hydrogel
US20160064643A1 (en) Highly controllable electroactive materials and electroactive actuators capable of pronounced contraction and expansion
He et al. An antifatigue liquid metal composite electrode ionic polymer-metal composite artificial muscle with excellent electromechanical properties
RU175272U1 (en) ELECTRICALLY CONTROLLED ELEMENT OF THE EXECUTIVE DEVICE BASED ON HYDROGEL
CN105330885A (en) Piezoelectric gel and preparation method and application thereof
JP4483390B2 (en) Hydrogel actuator
JP4848681B2 (en) Polymer actuator
Choe et al. Performance characteristics of electro–chemically driven polyacrylonitrile fiber bundle actuators
US11005027B2 (en) Highly controllable electroactive materials and electroactive actuators capable of pronounced contraction and expansion
Johnson et al. Mechanical properties of a pH sensitive hydrogel
Guo et al. Development of a new type of capsule micropump
CN111978564A (en) Carbon nanotube fiber-ionic gel artificial muscle preparation mold and preparation method
Okuzaki et al. A chemomechanical polymer gel with electrically driven motility
Feng et al. Micromanipulation tool replaceable soft actuator with gripping force enhancing and output motion converting mechanisms
Tatara Mechanochemical actuators
RU175482U1 (en) EXECUTIVE DEVICE
Onishi et al. Biomimetic microactuators based on polymer electrolyte/gold composite driven by low voltage
Otis et al. Development of an hexapod biomicrorobot with Nafion-Pt IPMC microlegs
Khursheed et al. Comparative study of the use of IPMC as an artificial muscle in robots replacing the motors: a review