ИСТИНА

Основной целью предлагаемого исследования является создание фотоотверждаемой композиции для стереолитографии актуаторов на основе электроактивных ионных полимеров и демонстрация возможности применения разработки для решения задач мягкой робототехники. Целями проекта являются: -Разработка новых фотополимеризуемых мономеров для получения полиэлектролитных мембран. -Разработка фотоотверждаемых композиций для производства полимерных электроактивных материалов методом стереолитографии. -Внедрение нетрадиционных методов производства для изготовления прототипов мягких роботов содержащих ионные электроактивные полимеры. -Варьирование структуры и свойств полимеров для улучшения производительности и срока службы актуаторов. -Разработка автономной системы очистки фасадов фотоэлектрических элементов с использованием созданных актуаторов.

The main purpose of the proposed research is to create a photocurable composition for the stereolithography of ionic electroactive polymer actuators (iEPA) and demonstration of the possibility of applying this method for in situ fabrication of soft robots. A special place in the study is occupied by the development of 3D printing of IEAP by tuning composition, structure, morphology and processing parameters. The project will have a result the synthesized UV-cured monomers for composition as well as a developed technology for 3D printing of IEPA and soft robots in which they are used. This allows to use for the first time stereolithography in the area of iEAP actuating materials. The multidisciplinarity of the research is ensured by combining the forces of organic and polymer chemists with specialists in additive technologies and in soft robotics. Activities of the research include organic synthesis, polymer properties investigation, 3D printing of membranes and electrodes, actuator manufacturing, electromechanical testing of polyelectrolyte membranes and actuators, soft robotics prototyping. The suggested photocurable composition for stereolithography significantly reduces the cost and increases the speed of manufacturing of such actuators. This development will make it possible to expand the range of resins for desktop and industrial 3D-printers. Lower production costs compared to Nafion based actuators will enhance the ability of scientists, engineers and makers to prototype robots using ionic actuators. The developed ionic EAPs will be implemented in ionic-EAP-array units for adaptive and autonomous self cleaning of solar cell facade elements. The ionic-EAP-array units will be designed, assembled and subsequently tested at the NEST experimental building facade in Switzerland. Ionic-EAP-arrays may potentially facilitate the solar cell maintenance and increase their efficiency, contributing to increasing the fraction of green energy in the world.

В результате исследования планируется: Синтезировать ряд фотополимеризующихся ионных мономеров и фотополимерные композиции на их основе для получения ионных мембран и актуаторов методом стереолитографии. Получить и охарактеризовать данные фотополимеризации для новых мономеров, включающие в себя описание кинетики фотополимеризации, результаты исследования максимальной конверсии и глубины полимеризации. Внедрить аддитивные технологии вместо традиционных методов производства используемых в мягкой робототехнике. Развить новое научно-технического направления в области создания мягких роботов с помощью ионных актуаторов в России, посредством сотрудничества между ведущими российскими и европейскими университетами. Получить актуаторы, апробированные в разработке мягких роботов в качестве очистителей для фотоэлектрических панелей. Повысить квалификацию молодых исследователей (бакалавров, магистров и аспирантов) в области материаловедения и робототехники через научно-исследовательское образование. Предложенный способ получения ионных исполнительных механизмов с использованием стереолитографии с разработанным фотоотверждаемым составом значительно уменьшит цену и увеличит скорость изготовления таких актуаторов с одновременным улучшением их производительности. В экономическом плане эта разработка в будущем позволит расширить ассортимент смол для настольных и промышленных 3D-принтеров. Изобретенная смола может быть использована как для учебного процесса, так и в производство мягких роботов. Более низкие производственные затраты по сравнению с актуаторами на основе нафиона увеличат конкурентоспособность и повысят возможности ученых и инженеров создавать прототипы роботов с использованием ионных актуаторов. Кроме того, использование нового состава мономеров и ионных жидкостей является более экологически чистым методом изготовления по сравнению с фторсодержащими нафион-подобными полимерами. Экологически безопасные ионные жидкости будут использоваться в качестве электролита для предлагаемой высокоэффективных ионных актуаторов. Все это внесет большой вклад в развитие общества, потенциально предоставляя ему множество новых полезных роботов, особенно в области бионики. Коллектив примет участие в не менее, чем 6 международных научных конференций и осуществит 5 научных публикаций с результатами проекта в высокорейтинговых научных журналах. Исходя из высокой производительности на воздухе при низком токе и низком напряжении, предложено реализовать разработанные актуаторы в массиве для адаптивной и автономной самоочистки фасадных солнечных элементов. Из-за глобальных изменений климата разработка источников возобновляемой энергии стала одним из самых важных проблем во многих странах, включая Россию и страны Евросоюза. Внедрение ионных актуаторов, разработанных в этом проекте, планируется выполнить на фасаде исследовательского здания NEST в виде блоков с массивами актуаторов для адаптивной автономной самоочистки фотоэлектрических элементов.

Российские участники проекта имеют большой задел и опыт в области органического синтеза и характеризации новых мономеров и полимеров на их основе для применения в аэрокосмической области и для разработки актуаторов на основе электроактивных полимеров. Члены российского коллектива принимали участие в проекте по разработке «умных» материалов на основе электроактивных полимеров совместно с АО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнёва. Также в настоящий момент члены коллектива из МГУ ведут активную работу по второму этапу гранта РФФИ № 18-29-18090 “Разработка подходов к созданию композиционных исполнительных устройств на основе новых полимерных электроактивных материалов, способных функционировать в жестких условиях”. Члены международного консорциума являются признанными специалистами в своих областях науки и обладают необходимым опытом и оснащением для успешной реализации данного проекта. Руководитель научной группы из Латвии (Sergejs Gaidukovs) является ведущим специалистом в области аддитивных технологий полимеров, в его распоряжении находятся оборудование, позволяющее получать изделия 3D-печатью методами стереолитографии, послойного наплавления. Руководитель от Эстонии Alvo Aabloo является ведущим мировым специалистом в области актуаторов на основе электроактивных полимеров с 30 летним опытом работы в данной области. Руководитель от Швейцарии Aslan Miriyev является ведущим специалистом в области мягкой робототехники, его работы публикуются высокорейтинговых журналах, таких как Acta Materialia и Nature Communications.

На первом этапе цели и задачи были выполнены полностью. 1) Разработана фотоотверждаемая композиция для производства полимерных электроактивных материалов методом стереолитографии. 2) Исследована кинетика фотополимеризации N-винилпирролидона с триэтиленгликолем в присутствии ряда ионных жидкостей. 3) Охарактеризован ряд свойств полученных полиэлектролитных мембран, включающий механические свойства, ионную проводимость. 4) На данном этапе была разработана методика синтеза ионных мономеров, способных к фотоотверждению для получения полиэлектролитных мембран. 5) Заявленным способом изготовлены актуаторы из ионных электроактивных полимеров, демонстрирующие актуацию и работоспособность. Получены фотополимеризованные в ванне полиэлектролитные мембраны желаемой формы, которые имеют потенциал для применения в производстве топливных элементов, суперконденсаторов, аккумуляторов и исполнительных механизмов. Для исселдование в данном проекте была выбрана мономерная система N-винилпирролидона c триэтиленгликоль диметакрилатом. Исследовано влияние соотношения мономер/сшивающий агент и содержания ИЖ в фотополимерной композиции. Свойства 3D-напечатанных ионогелей охарактеризованы импедансной спектроскопией, механическим и термическим анализом. При добавлении ИЖ наблюдалось увеличение скорости фотополимеризации и максимальной конверсии. Однако время достижения гелеобразования в фотополимерных композициях (критическое время экспозиции) уменьшилось за счет разбавления системы. Время для дополнительного отверждения в процессе стереолитографии рассчитывали и применяли для достижения полного стеклования фотополимерной композиции в каждом слое. Время переотверждения рассчитывали по максимуму пика на кривой фото-ДСК, а глубину проникновения определяли по рабочим кривым. Методология 3D-печати ИС с высоким разрешением и отсутствием межслойного растрескивания была разработана путем объединения фото-ДСК с рабочими кривыми. Интересное наблюдение отсутствия усадки при фотополимеризации и постотверждении было сделано при использовании BmimBF4 и OmimBF4 в фотополимерных композициях. Таким образом, достигается высокая точность 3D-печати. РЭМ-фотографии показали, что пористая морфология имеет решающее значение для высокой ионной проводимости 3D-печатных стеклопакетов. В ионогелях из EmimTFSI поры не наблюдались; следовательно, они имеют низкую проводимость. УФ или термическое постотверждение приводило к уменьшению размера пор с увеличением конверсии. Мы продемонстрировали, что контроль степени конверсии необходим для получения воспроизводимых свойств фотополимерных композиций, напечатанных на 3D-принтере. Подход двойного отверждения за счет дополнительной термически инициированной полимеризации позволяет достичь почти 100% конверсии. В результате были получены и охарактеризованы термостабильные ИС с высокой ионной проводимостью и хорошими механическими свойствами. В дальнейшем мы планируем разработать более эффективные композиции с одноионной проводимостью.