Технические науки

Разработана модель для описания внутренних процессов в мышцах микророботов

Антон Бройко

Ученые из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» разработали компьютерную модель, благодаря которой можно исследовать внутренние процессы в электрических компонентах микророботов и предсказывать их реакцию в разных условиях. Новая модель может быть реализована на любом языке программирования и позволяет быстро и дешево проводить вычислительные эксперименты. Результаты выполенной при поддержке гранта РНФ работы опубликованы в журнале Micromachines.

Благодаря развитию технологий у современных ученых появилась возможность использовать микророботов. Например, к таким механизмам часто обращаются в медицине, чтобы прицельно доставлять лекарства в организм или проводить операции без хирургического вмешательства.

«Гибкость, малый вес, легкость изготовления и обработки являются основными неотъемлемыми свойствами большинства полимеров. Кроме того, ионный полимерно-металлический композит (ИПМК) обладает способностью к большой деформации в ответ на подачу напряжения к электродам в несколько вольт. Благодаря этому он может применяться в качестве мягких роботизированных приводов, искусственных мышц и динамических датчиков в области бионической инженерии», — объясняет один из исследователей, доцент кафедры микро- и наноэлектроники ЛЭТИ Иван Хмельницкий.

Ионный полимерно-металлический актюатор (исполнительное устройство) состоит из полимерной мембраны, покрытой с обеих сторон металлическим проводящим слоем. К металлу проведены электроды с напряжением от одного до пяти вольт. Перед использованием такой полимер насыщается водой, и под действием электрического поля жидкость начинает двигаться, из-за чего увеличивается давление на одном электроде и уменьшается на другом. Разность в давлении и приводит к изгибам в ИПМК.

Подобные композиты могут использоваться при изготовлении различных микророботов, поэтому важно понимать, какие процессы происходят внутри при действии приложенного напряжения, чтобы понимать, как отреагирует мембрана. Для этого ученые используют сложные математические модели, которые на основе исходных данных о наблюдаемых перемещениях рассчитывают внутренние процессы. Однако большинство математических моделей требует серьезных финансовых и вычислительных ресурсов. В этой ситуации необходимо искать способы оптимизации, упрощающие процесс изучения и разработки микроприборов.

Исследователи из ЛЭТИ разработали вариант компьютерной модели, благодаря которой можно с привлечением минимума средств и ресурсов запрограммировать алгоритм и создать симулятор для отслеживания необходимых процессов. Модель представляет собой сопряженные дифференциальные уравнения, описывающие транспорт заряженных частиц (ионов) и молекул воды в ионообменной мембране, а также электростатическое поле внутри и механическую деформацию механизма. Для расчета этих показателей в модель вводятся геометрические характеристики (длина, ширина, толщина слоев и прочее) и физические свойства слоев (коэффициент диффузии, концентрация ионов в полимере, плотности слоев и так далее).

«С помощью разработанного программного обеспечения численного моделирования рассчитаны и исследованы пространственные распределения концентраций ионов и молекул воды в полимерной мембране ИПМК. Предложенная оптимизированная модель позволяет изучать динамику транспорта ионов внутри композита в зависимости от параметров мембраны и управляющего напряжения», — рассказывает один из исследователей, профессор кафедры микро- и наноэлектроники ЛЭТИ Евгений Рындин.

«Наша работа позволяет проводить расчеты со сложными современными математическими моделями, получая результаты мирового уровня и при этом используя доступные технические средства — персональный компьютер и свободное программное обеспечение. Мы надеемся, что описанная нами методика создания симулятора подтолкнет развитие этой области», — поясняет доцент кафедры микро- и наноэлектроники ЛЭТИ Антон Бройко.