정전기 액추에이터는 선택 필드를 사용하여 작동하므로 물체를 움직일 수 있다. 그러나 최근까지 상당한 힘을 발생시키기 위해서는 높은 전압이 필요하기 때문에 소형 장치를 움직이는 데만 사용되었다.

도쿄공업대학(Tokyo Tech)의 연구원들은 낮은 구동 전압에서 강한 힘을 발생시켜 인간의 근육을 모방할 수 있는 간단하면서도 가벼운 장치를 만들었다고 믿는다.

반대 전하를 띤 두 개의 전극으로 구성된 이 장치는 두 전극 사이에 전기장이 발생할 때마다 힘을 생성한다. 유연하고 부드러운 재료로 전극 사이의 간격을 채우면서 전극의 모양을 변경함으로써, 도쿄공업대학의 팀은 힘이 작동하는 근육의 힘을 모방할 수 있는 정전 액추에이터를 위한 다양한 구성을 만들었다.

정전 액추에이터의 강도 및 힘 제어

생성된 힘을 제어하는 ​​것은 전극과 유전 물질 사이의 계면에 축적된 전하와 함께 전극에 인가되는 전압에 따라 달라진다.

도쿄공업대학의 Suzushi Nishimura와 그의 팀은 전압을 낮게 유지하면서 액추에이터에서 생성된 힘을 증가시키는 것을 목표로 했다. 사람의 움직임과 활동을 지원하기에 충분한 힘을 생성하려면 이러한 장치에 신체에 위험할 수 있는 큰 전압을 공급해야 한다.

자발적으로 분극되는 강유전성 재료를 사용하여 도쿄공업대학팀은 절연유와 같은 기존의 상유전성 재료보다 1,200배 더 높은 힘을 전극에 생성할 수 있었다.

그림 1. 강유전성 액정의 발생력과 인가전압의 관계

강유전체 재료의 힘과 잠재력

전기장을 받으면 강유전성 물질에서 전하 분리(분극)가 발생한다. 그러나 강유전체는 기존의 상유전체와 달리 전계가 제거된 후에도 분극을 유지하여 낮은 전압에서 많은 축적 전하를 유지할 수 있다.

강유전성 물질의 분극은 전압과 무관하므로 생성된 힘은 인가된 전압에 선형적으로 비례한다(그림 1).

Nishimura 교수는 “강유전체 매체는 두 가지 측면에서 정전 액츄에이터에 사용되는 일반 상유전체 매체보다 우수하다. 하나는 저전압에서도 큰 분극을 유지하여 더 높은 힘을 발생시킬 수 있다는 것이고, 다른 하나는 전압 응답이 거의 선형에 가깝기 때문에 좋은 장치 제어가 가능하다는 것이다."고 말했다.

이 물질은 고체 결정체와 같은 막대 모양의 분자 구조를 가지면서 실온에서 액체처럼 흐를 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 특성은 인공 근육에 사용하는 데 필요한 유동성을 제공하는 데 필요한 특성이다.