Išmaniosios medžiagos

Išmaniosios medžiagos: nuo savaime judančių „Lego“ kaladėlių iki tiksliausių palydovų

LMA tikrasis narys, prof. Ramutis Bansevičius

Dažnai tarptautinėse mokslinėse konferencijose demonstruojant Kauno technologijos universitete (KTU) sukurtų įrengimų pavyzdžius, iš salės pasigirsta replika „Negali būti!“. Iš tiesų, sunku patikėti, kad daiktai gali tiksliai judėti plokštumoje be jokios aiškios priežasties, pjezoelektriniai žaislai ar paprasti automobiliukai veikti be variklių, jau nekalbant apie judančius netradicinius robotus. Tai įrengimai, kuriuose naudojamos „sumanios“ medžiagos. Istorikai archeologinius laikotarpius sieja su medžiagomis, iš kurių buvo gaminami ginklai, papuošalai ir darbo įrankiai. Žinome akmens, bronzos, geležies amžius. XXI amžius jau vadinamas „sumanių“ medžiagų amžiumi (angl. „Smart materials age“).

Save gydančios medžiagos

Spartėjant technologiniam progresui kone kiekvieną mėnesį atrandamos naujos medžiagos, sugebančios adaptuotis kintant apkrovoms, reaguoti į aplinkos pokyčius, keisti savo deformacinius ir takumo parametrus, valdyti savo charakteristikas, o taip pat save diagnozuoti ir netgi gydyti.

Pavyzdžių daug: tai medžiagos su atmintimi, tokios kaip nitinolas, pjezokristalai, elektro ir magnetoreologiniai skysčiai, terfenolas-D ir MSM – ypatingo efektyvumo magnetostrikcinės medžiagos. Taip pat – labai plati dirbtinių raumenų gama. Bene įspūdingiausių rezultatų pasiekiama, naudojant pjezoefektą. Jo dėka mechaninio judėjimo energija verčiama elektros energija.

„Pjezo“ pavadinimas yra kilęs iš graikų kalbos žodžio „suspausti“. Pjezo medžiaga – tai sintetinė medžiaga, savybėmis labai panaši į kvarcą. Kvarcas pasižymi pjezoelektrinėmis savybėmis. Jį suspaudus, ant briaunų atsiranda elektrinis krūvis (pjezo efektas), o paleidus įtampą į elektrodus, suformuotus ant kvarco, šiek tiek keičiasi medžiagos apimtys (atvirkštinis pjezo efektas). Šiuos efektus dar 1880 m. ištyrė broliai Kiuri.

Galėjo išgelbėti „Titaniką“

Po garsiosios „Titaniko“ katastrofos 1912 m., kai laivas susidūrė su ledkalniu, mokslininkai pradėjo ieškoti būdų, kaip išvengti panašių katastrofų. Tam reikėjo sukurti didelio intensyvumo garso šaltinį, kuris leistų spinduliuoti ir po to registruoti atsimušusias nuo kliūties garso bangas.

Tada buvo įsisavinta pjezokeraminių medžiagų gamyba, kurių efektyvumas daugelį kartų viršijo natūralaus kvarco efektyvumą. Tęsiant tokių „sumanių“ medžiagų paiešką, šiandien jau sukurtos naujos medžiagos ir kompozicinės struktūros, pasižyminčios ypatingai aukštomis pjezoelektrinėmis charakteristikomis.

Studentai dažnai nustemba išgirdę, kad kiekvienas jų turi bent kelis pjezoelementus: po vieną kvarco rezonatorių rasime mobiliajame telefone ir laikrodyje, kurie prietaisuose sužadina skambučio garsą. Įdomu tai, kad čia naudojamas kvarcas nėra unikali gamtinė medžiaga, turinti pjezoelektrines savybes. Lygiai tokias pačias savybes turi ir kaulai, medis ar oda.

 

Nanovariklis – be guolių ir krumpliaračių

Kaip veikia pjezoelektriniai varikliai? Įsivaizduokite cilindrą, pagamintą iš pjezoaktyvios medžiagos – pjezokeramikos. Jo elektrodai sudalinti į specifinę konfigūraciją turinčias dalis ir prijungti prie aukšto dažnio kintamos įtampos šaltinio. Cilindre sužadinami kelių virpesių formų nesimetriniai virpesiai, kurie kontakte su atramine plokštuma transformuojami į tolydinį ar žingsninį judesį.

Pagrindinis tokios schemos privalumas – superaukšta trijų laisvės laipsnių pavaros skyra, siekianti kelis nanometrus. Panaudojant šią schemą, KTU pavyko sukurti šiuo metu patį mažiausią pasaulyje pjezoelektrinį manipuliatorių, kurio matmenys tesiekia 4 x 3 x 4mm.

O kaip įsivaizduoti nanometrą? Juk tai – tūkstantoji mikrometro dalis! Yra toks pusiau humoristinis nanometro palyginimas – jūsų barzda per 1 sekundę išauga 1 nanometrą. Kalbant rimtai, nanovariklio pavara negali turėti jokių klasikinių variklių, guolių, krumpliaračių, reduktorių – jie įneša didžiules paklaidas. Nanovariklyje esančiose pjezoelektrinėse pavarose pavyksta išvengti klasikinių paklaidų šaltinių.

 

Atgaivino „Lego“ kaladėles  

Labai svarbi sritis – pjezoelektriniai žaislai. Šiandien žaislų pramonė užima nemažą pasaulio rinkos sektorių. Ypač aktyvūs japonai, kuriantys robotukus, „protingus” šuniukus ir kitokius keistus žaislus. Neseniai KTU vykdė Europos Sąjungos mokslinį projektą MINUET, kuriame vienas iš partnerių buvo „Lego“ kompanija. Jai pageidaujant, KTU mokslininkai bandė aktyvuoti klasikines kaladėles ir komponentus, iš kurių vaikai renka įvairiausius statinius.

Į mažos figūrėlės koją buvo įmontuotas pjezocilindriukas su magnetu, leidęs figūrėlei bėgioti po feromagnetinę plokštumą. Įgyvendinus tokį sumanymą, išsiplėstų vaikų žaidimų galimybės. Pavyzdžiui, būtų galima organizuoti armijų iš figūrėlių kovas. Projekto metu buvo sukurtas ir paprasčiausias pasaulyje pjezoelektrinis automobiliukas. Jis susideda iš ratų ir vienos pjezoplokštelės su magnetais jos galuose. Automobiliukas važinėja pirmyn ir atgal, o stebėtojui labai sunku įspėti judesio priežastį. Ši priežastis – ultragarsinis virpesių dažnis, o jo virpesių amplitudės siekia tik apie 1 mikrometrą, t.y. jos tampa nematomos.

Sukurti Stradivarijaus smuiką

Labai įdomūs tiesioginio pjezoefekto panaudojimo atvejai. Daug diskusijų pasaulyje sukėlė pjezokulka. Atsimušusi į kūną, ji sukuria 10-15 kV elektros iškrovą ir laikinai išveda iš rikiuotės priešo karį ar teroristą.

Sparčiai vystosi energijos išgavimas iš vėjo ar bangų, panaudojant pjezokeitiklius. Įrengus nedidelio krioklio dugne plokštę su daugiasluoksniais pjezokeitikliais, generuojamos energijos užtektų nedidelio namo apšvietimui – ir tai be jokių judančių dalių. 1995 m. JAV firma „Active Control eXperts“ pagamino slides, kuriose, taikant šį metodą, buvo įmontuoti pjezokeitikliai, sumažinantys slidžių virpesius, leidžiantis nuo kalnų ir taip padidinantys sportininko greitį.

Buvo pasiūlytas įdomus metodas gaminti smuikus, savo kokybe prilygstančius italų meistro Antonijaus Stradivarijaus ypatingu tembru pasižymintiems smuikams. Vertinant šiuos smuikus iš virpesių teorijos pozicijų aišku, kad garsiojo meistro smuikų kokybę lėmė daugelio pagrindinių ir aukštesnių virpesių formų savi dažniai ir jų slopinimas. Metodo idėja paprasta: paimame originalų Stradivarijaus smuiką ir, naudodami skaitmeninės holografijos metodus, nustatome visų virpesių formų dažnius bei slopinimą. Po to padengiame mūsų gaminamo smuiko vidinį paviršių pjezoplėvele su sekcionuotais elektrodais ir, prijungę juos prie kompiuterio, šuntuojame jų derinius, kol abiejų smuikų dažniai ir slopinimai sutaps. Tai nelengvas, bet įmanomas uždavinys.

Tvirti žingsniai kosmose

Dar viena moderni pjezoelektrinių keitiklių panaudojimo sritis – nanopalydovai, įsitvirtinantys kosminiuose tyrimuose. Vi­si pa­ly­do­vai tu­ri spe­cia­lią pa­dė­ties erd­vė­je val­dy­mo sis­te­mą, ku­ri nuo­lat nu­krei­pia pa­ly­do­vą į reikia­mą ob­jek­tą: sau­lę, žvaigž­dę, ar į ko­kį nors kon­kre­tų ob­jek­tą že­mė­je. Ta­čiau šios sis­te­mos yra su­dė­tin­gos. Kiek­vie­na iš jų tu­ri po tris va­rik­lius, to­dėl bend­ra jų ma­sė yra ne­ma­ža.

KTU ki­lo idė­ja pa­da­ry­ti be­si­su­kan­čią sfe­rą, ku­ri iš kar­to su­ktų­si pa­gal rei­kia­mą ašį. To­kia ga­li­my­bė at­si­ran­da, nau­do­jant pje­zoreak­ci­jos įran­gą. Jos bend­ras svo­ris tris­kart ma­žes­nis, o taip va­di­na­ma sky­ra (ma­žiau­sias kam­pas, ku­rį sis­te­ma ga­li iš­ma­tuo­ti) yra la­bai tiks­li. To­kiu bū­du paly­do­vas ga­li labai tiks­liai fik­suo­ti kryp­tį, į ku­rią jam rei­kia „žiū­rė­ti“. Pa­vyz­džiui, į mies­to cen­tre žyb­sin­čią Ka­lė­dų eg­lu­tę.

Pastaruoju metu radijo ryšį tarp atskirų palydovų, ypač formuojant jų spiečius, kosminiuose tyrimuose bandoma pakeisti lazeriniu ryšiu. Tai iš esmės sumažintų energijos poreikį ir labai suprastintų ryšio sistemos parametrus.

Vykdant Lietuvos mokslų tarybos projektą „PiezoDeflect“, sukurta apie 10 lazerio deflektorių modifikacijų, visiškai patenkinančių tokio ryšio parametrų reikalavimus. Kai kurie jų labai miniatiūriniai ir gali būti montuojami tiesiog į spausdintą plokštę. Juos galima naudoti netgi pikopalydovuose, kurių matmenys neviršija mobilaus telefono matmenų. KTU sukurtos kelios modifikacijos specialių pjezoelektrinių liestukų akliesiems, kurie naudojami skenuojant aplinkos vaizdą mobiliajame telefone ar planšetėje. Jie garsiniu ar Brailio kodo signalu praneša akliesiems apie kliūties kontūrą ir net jos spalvą.

Prof. dr. Ramučio Bansevičiaus paskaita Mokslo festivalyje „Protingi“ daiktai: nuo žaislų iki pjezoelektrinių robotų“ bus skaitoma rugsėjo 11 d. 13 val. KTU Mechanikos inžinerijos ir dizaino fakultete 174 aud. (Studentų g. 56, Kaunas).