FiberMotor to liniowy silnik elektrostatyczny o średnicy zaledwie od 1 do 3 mm, a więc konstrukcja bardziej przypominająca przewód lub grubszą nić niż cokolwiek, co zwykle kojarzymy z napędem. Nie chodzi przy tym o klasyczny silnik, który po prostu został pomniejszony do granic możliwości.
Silnik o średnicy 1-3 mm brzmi nierealnie
FiberMotor składa się z dwóch pustych w środku włókien umieszczonych jedno wewnątrz drugiego. Wokół każdego z nich spiralnie nawinięto bardzo cienkie izolowane elektrody z miedzianego drutu. Po przyłożeniu napięcia siły elektrostatyczne ustawiają kolejne fragmenty elektrod względem siebie, przez co jedno włókno przesuwa się w drugim niczym element teleskopu. Nie trzeba więc przekładni ani dodatkowego mechanizmu zamieniającego ruch obrotowy na liniowy.
Czytaj też: Elektronika gotowa na piekło. Silniki odrzutowe, piece i odwierty wytrzyma hafnia
Najciekawsze jest jednak to, czym FiberMotor różni się od wielu rozwijanych obecnie sztucznych mięśni. Takie konstrukcje zwykle wykorzystują zmianę kształtu materiału, który kurczy się, wydłuża albo wygina. Zakres ruchu jest przez to bezpośrednio związany z tym, jak bardzo materiał może się odkształcić. FiberMotor rozwiązuje problem inaczej – jego dwa elementy po prostu przesuwają się względem siebie, więc drogę ruchu ogranicza przede wszystkim długość samych włókien.
Podobny kierunek rozwoju opisywałem już przy sztucznych mięśniach zmieniających swoje właściwości, ale FiberMotor dorzuca do tego jeszcze jedną ciekawą możliwość – cały napęd można rozprowadzić po materiale zamiast skupiać go w jednym dużym punkcie.
Jedna nitka wiele nie zdziała. Setki mogą zmienić wiele
Pojedynczy FiberMotor nie zamieni oczywiście zwykłych spodni w strój Iron Mana. Najmocniejsze badane warianty osiągały siłę utrzymującą przekraczającą 750 mN, czyli w uproszczeniu były w stanie utrzymać ciężar odpowiadający masie około 75 gramów. Maksymalna prędkość ruchu bez obciążenia przekraczała z kolei 85 mm/s.
Czytaj też: Rower schudł ponad 3 kg, bo silnik zaliczył przenosiny. Czy to najlepsze wyjście?
Dużo ciekawiej robi się wtedy, kiedy przestaniemy patrzeć na FiberMotor jak na jeden silnik. Cztery połączone ze sobą włókna wykorzystano już do podniesienia 46-gramowej tabliczki czekolady oraz wprawienia w ruch palca robota sterowanego za pomocą ścięgien. Naukowcy wszyli również FiberMotory w prototypowy element ubrania dopasowany do kolana i właśnie takie skalowanie całego pomysłu wydaje mi się tutaj najważniejsze.
Współczesny konsumencki egzoszkielet pokroju Hypershell X Ultra nadal korzysta z klasycznych silników umieszczonych w konkretnych punktach konstrukcji. FiberMotor daje możliwość zupełnie innego podejścia, w którym wiele małych napędów rozkłada siłę na większym obszarze ubrania. Zamiast dwóch silników przy biodrach moglibyśmy więc kiedyś dostać dziesiątki albo setki cienkich włókien biegnących przez nogawkę. Oczywiście dzisiejszy FiberMotor jeszcze tego nie zapewnia, ale właśnie tutaj zaczyna się robić naprawdę ciekawie, bo egzoszkielet przyszłości wcale nie musi wyglądać jak egzoszkielet.
Jest tylko mały problem. FiberMotor potrzebuje tysięcy woltów
Zanim jednak zaczniemy projektować sobie mechaniczne spodnie, trzeba zejść na ziemię. Eksperymentalne FiberMotory pracowały przy napięciach liczonych w kilowoltach, a wiele pomiarów przeprowadzano przy 3 kV. Pobór prądu jest niski, więc nie oznacza to ogromnego zapotrzebowania na energię, ale perspektywa umieszczenia elektroniki wysokiego napięcia bezpośrednio na ciele człowieka od razu pokazuje, jak długa droga dzieli działający eksperyment od produktu konsumenckiego. Same prototypy były zresztą podłączone do zewnętrznego zasilacza.
Dochodzi do tego jeszcze mniej efektowny problem, czyli smarowanie. Między dwoma włóknami znajduje się cienka warstwa oleju silikonowego, która ogranicza tarcie i pomaga zapobiegać przebiciom dielektrycznym. W obecnych prototypach ciecz utrzymuje się głównie dzięki napięciu powierzchniowemu, początkowo może częściowo wyciekać, a po kilku godzinach pracy trzeba ją uzupełnić. Trudno wyobrazić sobie takie rozwiązanie w ubraniu, które mamy regularnie zakładać, zginać, pocić się w nim i wrzucać do pralki.
Czytaj też: Przez dekady robiliśmy to inaczej. Mały ZPOD może zmienić silniki wojskowych dronów
Trwałość również pozostaje do poprawy. Typowe prototypy wytrzymywały znacznie ponad 1000 cykli, a niektóre działały nieprzerwanie przez 24 godziny. Najczęstszą przyczyną awarii było jednak przebicie dielektryczne. Naukowcy sami wskazują jednak dalszą optymalizację materiałów, izolacji i konstrukcji jako jeden z kolejnych etapów rozwoju.
Silnik przyszłości może po prostu zniknąć
Mimo tych ograniczeń FiberMotor interesuje mnie nie bez powodu, bo zespół z Lozanny już w 2023 roku pokazał pompę w formie włókna, którą można wszyć w materiał i wykorzystać m.in. do transportowania cieczy, termoregulacji czy generowania haptyki. Teraz podobny format udało się wykorzystać do stworzenia właściwego napędu. Jeśli dołożymy kiedyś do takich włókien czujniki położenia, elektronikę sterującą, bezpieczne zasilanie i przede wszystkim odpowiednią trwałość, to inteligentna odzież zacznie oznaczać coś zupełnie innego niż koszulka z pulsometrem. Materiał sam będzie mógł generować siłę i reagować na ruch człowieka.
Pierwszy autor badań, Sylvain Schaller, założył już firmę Elecsyor, która ma rozwijać technologię w stronę zastosowań komercyjnych. Wśród potencjalnych zastosowań naukowcy wymieniają miękkie egzoszkielety pomagające w poruszaniu się, lekkie protezy oraz systemy haptyczne do wirtualnej rzeczywistości.
Źródła: Advanced Materials, EPF
