Ученые 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.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в журнале Micromachines.

Благодаря развитию технологий у современных ученых появилась возможность использовать микророботов, когда необходимо взаимодействовать с нано- и микроразмерными деталями или работать в труднодоступных местах. 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», – рассказывает доцент кафедры МНЭ Иван Константинович Хмельницкий.

Ионный полимерно-металлический актюатор (исполнительное устройство) представляет собой механизм, который 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.

Сотрудники кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «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», – поясняет профессор кафедры МНЭ Евгений Адальбертович 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 в этой области», – комментирует доцент кафедры МНЭ Антон Петрович Бройко.

В состав научной группы входят сотрудники кафедры микро- и наноэлектроники – профессора Евгений Адальбертович Рындин и Николай Игоревич Алексеев, доценты Иван Константинович Хмельницкий, Антон Петрович Бройко и Андрей Владимирович Корляков, а также инженер ИЦ ЦМИД Вагаршак Мгерович Айвазян.