Страница 4 из 16
Специалисты из лаборатории инженерной психологии в университете Беркли пытаются заменить двигатели внутреннего сгорания, электромоторы или гидравлические приводы пневматическими системами, приводимыми в действие перекисью водорода, а еще лучше — искусственными «мышцами» на основе электроактивных полимеров.
Однако пока что никто не разработал привод, обладающий достаточной мощностью. И Йозеф Бар-Коэн, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения в Пасадине, штат Калифорния, учредил даже премию для исследовательской группы, которая сможет изготовить из электроактивных полимеров искусственную руку, способную победить человека в матче по армреслингу.
До появления таких полимеров создатели микроприводов обычно использовали пьезокерамику. Если подать электрическое напряжение на кристалл, например, сегнетовой соли, то он деформируется; если его сжать, он наэлектризуется. Несколько лет тому назад тот же Бар-Коэн вместе с коллегами пытался усовершенствовать такой привод, создав пьезокерамические диски из цирконат-титаната свинца. И хотя они под действием электрического напряжения сжимаются или расширяются всего на доли процента, на их основе уже удалось создать вибродрель, без труда справляющуюся с твердым камнем.
Однако во многих случаях инженерам требуются электроактивные материалы, линейные размеры которых могут изменяться на десятки или даже сотни процентов. И в их поисках материаловеды обратили свои взоры к полимерам. Пластики, изменяющие форму под действием электрического поля, обычно делят на две группы: ионные и электронные.
У тех и у других свои преимущества и недостатки. Ионные электроактивные полимеры включают в себя полимерные гели, полимерметаллические композиты, проводящие полимеры и углеродные нанотрубки. Их действие основано на электрохимии — движении или диффузии заряженных ионов. Причем даже небольшое напряжение приводит к значительной деформации.
К сожалению, такие материалы должны быть постоянно влажными, их приходится заключать в гибкую герметичную оболочку. Есть и другой недостаток: если напряжение превышает определенный уровень, начинается электролиз, необратимо повреждающий материал.
Электронные «мускулы» — такие, как ферроэлектрические полимеры и алектрострикционные эластомеры — приводятся в действие электрическим полем высокого напряжения. Поэтому здесь требуются особые источники питания и эффективная защита от случайного удара током. Тем не менее, именно материалы этой группы отличаются высоким быстродействием и значительными механическими усилиями.
Схема их действия довольно проста. Представьте себе конденсатор — две параллельные проводящие пластины, между которыми проложен изолятор. При подаче напряжения пластины притягиваются друг к другу и сжимают полимерный изолятор, который при этом расширяется. Тонкая пленка диэлектрического эластомера (обычно толщиной 30–60 мкм) покрывается с двух сторон мягким полимером с внедренными в него проводящими углеродными частицами. Углеродный слой, соединенный проводниками с источником питания, представляет собой эластичный электрод, который может расширяться вместе с пластиком. Из таких слоистых пластиковых пленок и изготавливают приводы нового поколения, размер которых может увеличиваться почти на 400 процентов.
Впрочем, некоторые исследователи остановили свой взгляд на электрострикционных полимерах, таких, как полиуретан или силикон. Углеводородные молекулы образуют в них полукристаллические структуры, опять-таки обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Правда, удлинение их меньше: некоторые виды мягких силиконов могут менять свою длину всего лишь на треть.
В общем, выбрав ряд перспективных материалов, исследователи сейчас занимаются разработкой конкретных устройств на их основе. Пока впереди всех японские исследователи. В Стране восходящего солнца уже можно купить аквариум с рыбками-роботами, которые плавают в воде как живые. В них нет ни одной механической детали — изгибающиеся тела рыбок изготовлены из электроактивного полимера.
Похожий привод японские инженеры пытаются использовать в «штанах-самоходах» — частичном экзоскелетоне, который должен помочь двигаться инвалидам и людям, проходящим курс реабилитации после сложных переломов.
Зато инженеры из «Саркоса» разработали сенсоры и приводы, позволяющие людям с ампутированными конечностями управлять механическими руками благодаря незначительным движениям кожи или мышц. А инженеры из Калифорнийского университета в Беркли тем временем сконструировали очередной вариант экзоскелетона, который помогает пешеходу переносить груз до 100 кг по пересеченной местности.
Создаются из электроактивных полимеров и композитов также изменяющиеся поверхности для самолетных крыльев, насосы и источники электропитания нового типа.
В общем, дела подвигаются столь быстрыми темпами, что Бар-Коэн забеспокоился. «Я полагал, что мои деньги останутся нетронутыми лет двадцать, однако, похоже, премию придется выплачивать уже в текущем десятилетии», — улыбается он.
И. ЗВЕРЕВ
ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Под водой на… поезде
Еще в XIX веке появились первые проекты прокладки подводных тоннелей из одной части света в другую. Некоторые из них осуществлены, другие же пока так и остаются на бумаге. Почему?
Вообще-то говоря, подобные проекты, как правило, относятся к долгострою. Тот же тоннель под Ла-Маншем хотели было построить еще в конце XVIII века. Но когда во Франции пришел к власти император Наполеон, правители Великобритании предположили, что по тоннелю его войска смогут попасть в Англию. И все работы по возведению тоннеля были прекращены.
Несколько раз откладывали начало строительства и в наши дни. Уже готовое технико-технологическое обоснование проекта тоннеля под Ла-Маншем пролежало под сукном около трех десятилетий, пока в 1984 году лидеры Великобритании и Франции за завтраком фактически в течение пяти минут не решили: пора строить.
Строительство было начато в 1987 году и благополучно завершено в 1994-м, невзирая на разговоры, что тоннель себя никогда не окупит. И действительно, транспортная нагрузка недостаточна, чтобы тоннель экономически себя оправдывал. Но главное здесь — высокая политика: Великобритания теперь по существу перестала быть островным государством. Не оправдал себя экономически и тоннель длиной почти в 5 км, который Япония проложила по дну Токийского залива еще в 70-е годы прошлого века.
Тоннель должен соединить Азию с Америкой.
Схема устройства подводного туннеля для обычных поездов (слева) и пневмотранспорта (справа).
Цифрами обозначены: 1 — вагон; 2 — стабилизатор: 3 — якорь постоянный; 4 — канат; 5 — лебедка; 6 — балласт; 7 — служебный батискаф; 8 — аварийно-переходная камера; 9 — монтажный батискаф; 10 — трос сбросного якоря; 11 — балластная система; 12 — сбросной якорь; 13 — пневмовагон; 14 — выходной люк.
Тем не менее, в 80-е годы родился проект «туннельного варианта» переправы через Гибралтарский пролив, о котором пойдет речь дальше. А в России начиная еще с 30-х годов ведутся разговоры о строительстве тоннеля под Татарским проливом. Его даже начали было строить в сталинские времена, но после 1953 года строительство остановили, так как затраты показались неоправданно большими.