Электромеханический преобразователь

013443 Область техники Электромеханический преобразователь представляет собой устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую работу (например, как произведение создаваемой силы и сдвига). Преобразователи широко применяются во всех сферах окружающей нас среды. Они признаны в классической технической науке в виде электрических двигателей, электромагнитов, электрических систем с пневматическими или гидравлическими цилиндрами и т.п. В микроэлектронике электромеханические преобразователи называются приводами, и они связывают компонент обработки информации схемы электронного управления с техническими процессами. Они используются во многих областях, включая медицину, космос, робототехнику, микроэлектронные машины и т.п. можно найти в проигрывателях CD и фотоаппаратах, стиральных машинах, системах обогрева и кондиционирования воздуха, оборудовании для обработки на станке, автомобилях, судах и самолетах и даже в ресторанном оборудовании и искусственных конечностях. Предпосылки создания изобретения Имеются различные способы преобразования электрической энергии в силу и перемещение. В микроэлектронике приводы основаны на способности новых и усовершенствованных твердых материалов преобразовывать энергию. Они могут предложить преимущества по сравнению с традиционными электромеханическими преобразователями в том, что в них отсутствуют движущиеся части. На вход привода должно подаваться электропитание с низкими потерями, токами и напряжениями, которые совместимы с микроэлектронными устройствами, где только возможно. Низкие напряжения и токи также отвечают требованиям малого воздействия индуцированных электрических или магнитных полей. Однако такие приводы должны создавать необходимые и часто значительные механические усилия и значимые перемещения при низких напряжениях и токах. Таким образом, наиболее важной целью является конструкция как можно более маленьких приводов, приводимых в действие низкими напряжениями и токами при незначительных потерях, и достаточно высокой механической работой на выходе. Простое уменьшение размеров конструкции, соответствующей классической технической науке, только ограничивает потенциальные возможности и является неправильным по своей сущности. Новые принципы, материалы и технологии нацелены на создание новых и приемлемых приводов. В таблице представлены основные характеристики современных приводов в сравнении с новым наноприводом на основе сдвига (заявка на патент СНП). Современные приводы и СНП (заявка на патент) Параметры представляют собой лучшие достигнутые/ожидаемые значения) материалы функциональных наночастиц - среда-1 013443 Пьезоэлектрические преобразователи Пьезоэлектрический эффект основан на упругой деформации и ориентации электрических диполей в кристаллической структуре. Приложение электрического поля вызывает деформацию диполей, которая приводит к деформации в кристалле. Многие из используемых в настоящее время материалов основаны на сплавах свинца, титанате и цирконате (PZT-керамика) или пьезоэлектрических пленках на основе поливинилиденфторида (PVDF). Они успешно используются уже в течение многих лет для решения насущных проблем в области точной регулировки положения и активного управления колебаниями. Пьезоэлектрические преобразователи характеризуются значительными силами возбуждения на выходе, малым временем срабатывания (или высокой рабочей частотой) и точностью регулировки положения порядка нескольких нанометров - но только при незначительных деформациях. В настоящее время довольно высокие напряжения не являются непосредственно совместимыми с напряжениями в устройствах микроэлектроники. Магнитострикционные преобразователи Явление магнитострикции наблюдается в большинстве ферромагнитных материалов. Сплавы железа с редкоземельными элементами (Tb-Dy-Fe) "Сплавы с сильнейшими магнитострикционными свойствами" (GMAs) характеризуются магнитными деформациями, на два порядка превосходящими их амплитуду у таких ферромагнитных элементов, как никель. Статическая магнитная деформация GMAs позволяет создавать линейные преобразователи, обеспечивающие малые перемещения и значительные силы. Магниторезистивные преобразователи имеют ряд характерных преимуществ по сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями - низкий гистерезис, более высокую рабочую температуру, более низкое напряжение сигнала возбуждения, возможность управления током и возможность отделять обмотку возбуждения от магниторезистивного стержня. Хотя пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи являются во многих областях применения взаимозаменяемыми, пьезоэлектрические преобразователи получили большее распространение частично вследствие большего разнообразия присутствующей на рынке пьезокерамики и готовых преобразователей. Преобразователи на основе памяти формы Термин "память формы" (ПФ) относится к способности некоторых материалов восстанавливать заранее определенную форму. Эффект ПФ основан на фазовом переходе твердое тело - твердое тело в сплаве, обладающем памятью формы, который происходит внутри определенного температурного интервала. Выше температуры перехода кристаллическая структура находится в так называемом состоянии аустенита. Кристаллическая структура мартенсита является более стабильной вследствие термодинамических причин, если температура материала опускается ниже температуры фазового перехода. Границы двойниковых кристаллов мартенсита могут легко сдвигаться; по этой причине элементы, обладающие памятью формы, можно деформировать в состояние мартенсита совершенно незначительными усилиями. При нагревании снова устанавливается структура аустенита. В то же самое время материал, обладающий памятью формы, вернется к своей первоначальной форме. Никелево-титановые сплавы (NiTi) и никелево-титаново-медные (NiTiCu) сплавы имеют наилучшие характеристики для целей преобразования. Их переход ограничивается приблизительно 100. При восстановлении своей заранее заданной формы элемент может создавать значительные силы. Нагревание элемента с памятью формы является относительно простым. При прохождении электрического тока выделяется тепло вследствие потерь Джоуля. Во время процесса охлаждения весьма медленные самопроизвольные процессы удаляют тепло. Однако преобразователи небольшого размера имеют значительно более высокое отношение поверхности к объему. Отсюда следует, что теплообмен с окружающей средой значительно улучшается, что приводит к более быстрому времени срабатывания таких преобразователей. Самым распространенным способом изготовления является разбрызгивание. Очень высокое отношение работы к объему является весьма ценным в случае ограничительного пространства. Недостаток, заключающийся в низком КПД (ниже 2%), обусловлен термодинамикой. Вследствие низкого КПД и низкой скорости, преобразователи, использующие память формы, представляют собой удачный выбор в некоторых очень специфических областях применения. Электронные полимеры Ферроэлектрические полимеры, такие как поливинилиденфторид (PVDF) проявляют самопроизвольную электрическую поляризацию. Приложение сильного поля переменного тока (200 МВ/м) может вызвать электрострикционные (нелинейные) деформации, составляющие около 2%. Электреты представляют собой полимеры, которые сохраняют свою электрическую поляризацию после того, как они подверглись воздействию сильного электрического поля. Современное применение электретов включает электростатические микрофоны. Диэлектрические ЕАР, известные также как электростатические деформируемые полимеры, могут быть представлены конденсатором с параллельными пластинами. Наблюдаемая реакция пленки обусловлена, главным образом, взаимодействием между электростатическими зарядами на электродах (эффект Максвелла). Противоположные заряды на двух электродах притягивают друг друга, в то время как одинаковые заряды на каждом электроде отталкивают друг друга. Электрострикционный привитый полимер состоит из двух компонентов: гибкой макромолекулы-2 013443 каркаса и привитого полимера, который может образовывать кристаллическую структуру. Привитая кристаллическая поляризованная фаза образует отдельные части в ответ на приложенное электрическое поле и места образования поперечных связей для эластомерной системы. Такой материал обеспечивает значительную (4%) деформацию, вызванную электрическим полем. Жидкокристаллические эластомерные материалы могут быть активированы электрически путем индуцирования нагрева джоулевой теплотой. Механизм возбуждения данных материалов включает фазовый переход между нематической и изотропной фазами в течение периода времени, не превышающим 1 с. Обратный процесс протекает медленнее и занимает около 10 с. Ионные полимеры Гель ионного полимера (ГИП) представляет собой раствор или коллоидную суспензию, которая претерпевает физическое или химическое изменение до состояния твердого тела и при этом сохраняет внутри структуры большую часть растворителя. Расширение и сжатие гелей зависит от диффузии воды или растворителя в матрицу и из матрицы. Постоянная времени листа толщиной 1 мм составляет около 20 мин, 30 мкм сокращающиеся тела были обнаружены в растениях, и они сокращаются в ответ на введение ионов кальция приблизительно за 50 мс [2]. Ионные полимеры - металлические композиты (ИПМК) образуют подгруппу в ГИП. Они, главным образом, состоят из тонкой (около 200 мкм) полимерной мембраны с тонкими металлическими электродами (около 10 мкм). Полиэлектролитная матрица нейтрализуется некоторым количеством противокатионов, уравновешивая заряд анионов, ковалентно связанных с мембранной (например, Nafion., DuPont,нейтрализованный щелочными металлами). Когда ИПМК в растворенном (т.е. гидратированном) состоянии возбуждается неожиданно приложенным ступенчатым потенциалом (1-3 В), подвижные противокатионы диффундируют по направлению к катоду. В результате этого композит претерпевает начальное быстрое сгибание, за которым следует медленная релаксация. Электропроводные полимеры Электропроводные полимеры химически характеризуются так называемым сопряжением, при котором двойные связи углерода периодически чередуются с одинарными углеродными связями вдоль каркаса полимера (полиперол, полианилин, полиацетилен). Электропроводные полимеры имеют весьма высокую электрическую проводимость при легировании их ионами. В отличии от того, что происходит в кремнии, легирующие примеси можно легко внедрить в промежутки между полимерными цепями и удалить их из этих промежутков. По сравнению с другими полупроводниковыми материалами, уровень легирования может быть очень высоким: приблизительно один противоион легирующей примеси на четыре мономера. Построение преобразователей оказывается возможным благодаря объемным изменениям,которые происходят в этих материалах во время изменения уровня легирования. Например, когда пленка из полиперола электрохимически наращивается на положительно заряженный электрод, эта пленка будет автоматически насыщаться акцепторной примесью (фиг. 1 А, электроны удалены, полимер окислен). В качестве электролита можно использовать натриевую соль додецилбензолсульфонат (NaDBS) [1, с. 211]. Когда соль диссоциируется на Na+ и DBS-, анионы DBS- встраиваются в легированную сетку полипирола, чтобы поддерживать нейтральность заряда пленки из полипирола. Вследствие своего большого размера анионы DBS- остаются неподвижными и не могут легко диффундировать из полимера. Полипирол остается стабильным в состоянии дырочного полупроводника, если к нему не прикладывается внешний потенциал. Если к электроду прикладывается отрицательный потенциал (фиг. 1 В), электроны перетекают в полимер и компенсируют отсутствующие заряды (электроны присоединяются, полимер восстанавливается). Катионы Na+ одновременно входят в полимер и компенсируют неподвижные анионы, образуя соль NaDBS. Макроскопически полимер увеличивает свой объем. В зависимости от величины приложенного напряжения, полипирол может изменять объем до 2%. Если прикладывается положительный потенциал (фиг. 1 С), электроны и катионы снова перемещаются за пределы полимера, объем полимера уменьшается до состояния, изображенного на фиг. 1D, эквивалентной фиг. 1 А. Таким образом, концентрацией ионов и, следовательно, объемом полимера можно легко управлять с помощью внешнего электрического поля. В общем, изменение объема в электропроводных полимерах может быть обусловлено следующими тремя эффектами: 1) внедрение противоионов (основной в упомянутом примере с полимером); 2) конформация цепи (например, прямые или скрученные цепи); 3) взаимодействие между цепочками (например, электростатические силы). Наиболее изученные преобразователи на электропроводных полимерах основаны на "пленке из электропроводного полимера/пленке, не изменяющей объема", где электропроводный полимер является единственным электромеханически активным материалом. Пленка из электропроводного полимера соединена в качестве рабочего электрода в электромеханическую ячейку; необходимы также противоэлектрод и раствор электролита. Механизм возбуждения преобразователя на электропроводном полимере основан на ионном обмене между пленкой из электропроводного полимера и электролитической средой (либо раствор электролита,либо сухой/мокрый полимерный электролит). Это представляет собой самый существенный фактор, который определяет и ограничивает весьма длительное время срабатывания подобного преобразователя.-3 013443 Малые линейные деформации электропроводного полимера препятствуют построению эффективных линейных преобразователей, работающих таким же образом, как и настоящие мышцы. Данный факт представляет собой очень важное ограничение, которое должно быть преодолено путем поиска либо новых полимеров, либо новой конфигурации, в которой должны быть усилены продольные изменения. Углеродные нанотрубки Углеродные нанотрубки имеют впечатляющие электрические и механические характеристики, вытекающие из их структуры, которая состоит из полых цилиндров углерода с ковалентными связями. Инжекция двойного слоя зарядов, возможно, является наиболее перспективным механизмом возбуждения[2, с. 262]. Данный механизм сильно отличается от того, который имеет место у электропроводных полимеров. Потоки ионов и, следовательно, протекание процесса электромеханического возбуждения может быть очень сложным и определяется относительной подвижностью противоионов в полимере и ионов в электролите. В отличие от этого, углеродная нанотрубка работает как электрохимический конденсатор, в котором заряд, инжектированный в нанотрубку, уравновешивается двойным электрическим слоем, образованным движением ионов электролита к поверхности нанотрубки. Инжекция заряда вызывает химически обусловленные квантовые изменения длины ковалентной связи углерод-углерод у поверхностных атомов вблизи двойного слоя. От этого механизма, основанного на действии сильных ковалентных связей, можно ожидать короткого времени срабатывания и высокой плотности силы. Однако проблема малой линейной деформации все еще ждет своего решения. Электростатическое отталкивание между различными трубками в "лесу" из нанотрубок вызывает отталкивание между этими трубками. Преобразователь, основанный на электростатическом взаимодействии между трубками, также может представлять научный интерес. Молекулярные преобразователи Вызванное сигналом возбуждения конформационное изменение внутри отдельной молекулы представляет собой основу большинства биологических молекулярных преобразователей. Примером молекулярного преобразователя может служить транспортная система, получающая энергию от кинезина, двигательного протеина [5]. Преобразования беспорядочных витков в спираль находятся в ряду самых мощных конформационных изменений [2, с. 304]. Распространенным главным недостатком бимолекулярных двигателей является их ограниченный срок службы in vitro и узкий диапазон приемлемых для них условий окружающей среды. Естественные мышцы Скелетные мышцы млекопитающих считаются оптимизированными системами, эволюционировавшие более чем за 600 миллионов лет. Они состоят из отдельных мышечных волокон - отдельных клеток, которые достигают длины нескольких сантиметров, имеют вид цилиндров с диаметрами около 10 мкм и окружены клеточной мембраной. Мышечные клетки состоят из параллельных миофибрилл. Миофибриллы построены из нескольких микроскопических вытянутых вдоль оси сократительных элементов,называемых саркомерами, которые содержат три типа волокон: тонкие, толстые и соединительные (фиг. 2). Толстые (миозиновые) и тонкие (актиновые) белковые волокна внутри саркомера, по общему признанию, играют центральную роль в сокращении. Белки актин и миозин обладают сократительным механизмом, который можно объяснить как сдвигом, так и сгибанием [3].(1) Механизм сдвига стал общепризнанным приблизительно с 1960 г. Когда мышечная клетка электрически возбуждается потенциалом действия, который передается нервами вдоль их клеточной мембраны, ионы кальция высвобождаются из саркоплазматической сети (она находится вблизи Z-плоскостей) и связываются в определенных участках с волокнами актина. Расположенные ближе всего группы головок миозина связывают эти участки, и толстые и тонкие волокна оказываются механически соединенными,но при этом не произошло никакого перемещения. Для осуществления перемещения необходимо, чтобы группы головок изменили свой угол и потянули бы толстые и тонкие волокна, перемещая их относительно друг друга. Для этого процесса необходима энергия, и она поступает в виде АТФ. Группы головок обладают активными центрами фермента аденозинтрифосфатазы, которые становятся активными только тогда, когда головки соединяются с актином. Этот активный комплекс в присутствии Mg2+ гидролизирует АТФ на неорганический фосфат и аденозиндифосфат (АДФ). Часть высвобождающейся энергии используется для изменения положения группы головок от распрямления к флексии. К несчастью, научное объяснение механизма раскачивания головок представляется весьма запутанным. Этот процесс повторяется и тонкие волокна оттягиваются к середине саркомера, и саркомер укорачивается. Когда электрическое возбуждение прекращается, избыточный кальций быстро поглощается саркоплазматической сетью. Остаток энергии от расщепления АТФ-АДФ поглощается, когда ионы кальция возвращаются в саркоплазматическую сеть. В отсутствие связанного кальция группы головок не могут оставаться связанными с актином, и без следующего своевременного электрического возбуждения саркомер удлиняется, и мышца снова расслабляется. Однако при достаточно высокой частоте повторения электрического возбуждения, саркомеры могут сокращаться посредством отдельных сокращений до своей минимальной длины. Этот механизм объясняет многие особенности сокращения.(2) Механизм сгибания. Имеется несколько причин, чтобы рассматривать механизм сдвига недостаточным. До середины 1950-х годов считалось, что сокращение мышц происходит благодаря механизму,-4 013443 подобному сгибанию протеина, которое похоже на фазовый переход. Также недавно Поллак [3] предположил, что большей частью биологических функций клеток можно управлять путем единственного унифицированного механизма - фазового перехода. Сокращение саркомеров является одним из основных примеров. Предполагается, что оно является результатом вызванных кальцием фазовых переходов во всех трех волокнах: конденсации в тонких волокнах, перехода из согнутого состояния в развернутое в соединительных волокнах и фазового перехода от спирали к беспорядочным виткам в волокнах миозина. Однако несколько вопросов все еще остаются без ответа.(3) Фазовый переход решетки головок миозина отвечает на имеющиеся вопросы [6]. Он включает оба пункта (1) и (2) объяснений. Ван-дер-Ваальсово притяжение во время вызванного кальцием фазового перехода множества головок миозина (реконструкция их расположения относительно друг друга) представляет собой основную движущую силу. Простой рычажный механизм, который преобразует Ван-дерВаальсово сближение головок миозина в сдвиг толстых и тонких волокон, обеспечивает механизм привода. Альтернативная модель (3) также представляет собой теоретическую основу данной патентной заявки. Краткое изложение сущности изобретения Элемент электромеханического преобразователя характеризуется тем, что по крайней мере три частицы, расположенные вокруг волокна А, прикреплены к волокну М посредством тонких волоконподвесок, и волокна и частицы помещены в жидкую или газообразную среду. Четыре пункта образуют сущность данного изобретения. 1) Базовая структура и функция основного элемента сдвигового нанопреобразователя (СНП). 2) Размер частиц является оптимальным для достижения максимального изменения плотности потенциальной энергии Ван-дер-Ваальсова притяжения. 3) Взаимное расположение частиц в СНП позволяет обеспечить их предельное сближение в состоянии сокращения и их предельную плотность во время релаксации преобразователя. 4) Циклическое изменение взаимного расположения частиц вызывает кумуляцию единичных сокращений основных элементов. Базовая структура и функция основного элемента СНП. Положение частиц и волокон в состоянии релаксации определяется силами электростатического отталкивания при регулярном взаимном расположении (фиг. 3, наверху). Волокна A1, A2, N, М, диски и твердые частицы помещаются в жидкую или газообразную среду. Предпочтительно, чтобы частицы были расположены в виде решетки с гексагональной плотнейшей упаковкой, как показано на фиг. 5 и 6. В состоянии сокращения (фиг. 3, внизу; фиг. 5 наверху слева и фиг. 7), волокна А 1 и А 2 окружены слоем ионов, имеющих противоположный заряд по отношению к заряду на поверхности целой части СНП. Предпочтительно, чтобы слой ионов состоял из многовалентных ионов. Например, в случае отрицательного заряда на поверхности волокон электрическое поле заставляет ионы проходить вдоль волокон А 1 и А 2, удаляясь от дисков. Высокая концентрация ионов вызывает разрушение двойного электрического слоя на частицах и волокнах А 1 и А 2. Это разрушение далее приводит к локальной нейтрализации их электрического отталкивания. Постоянное воздействие сил притяжения Ван-дер-Ваальса в области расположения волокон А 1 и А 2 вызывает взаимное притяжение частиц и их контакт с волокнами А 1 и А 2. Контакт частиц с волокнами А 1 и А 2 и продолжающееся притяжение частиц приводит к наклону частиц, который заставляет волокна А 1 и А 2 двигаться по направлению к центру, тем самым укорачивая как основной элемент СНП, так и весь СНП. СНП сокращается на одно сокращение, например на 15 нм. Изменение поляризации дисков заставляет ионы циклически перемещаться к частицам и обратно к дискам. Большая часть поступающей энергии потребляется при возвращении ионов к дискам. Полное сокращение основного элемента СНП представляет собой сумму отдельных сокращений. Отдельные сокращения являются результатом поочередного наклона частиц и их возвращения в исходное положение. Например, 100 сокращений по 15 нм могут вызывать полное сокращение отдельного элемента до 1,5 мкм. Постоянное уменьшение концентрации ионов в области волокон вызывает релаксацию (удлинение). Основные элементы преобразователя могут быть соединены последовательно и/или параллельно,что позволит достичь требуемого результирующего перемещения и/или силы. Функциональные частицы (их размер, материал, наибольшее сближение, рабочая температура) и количество преобразуемой энергии. Сближение двух идентичных сферических частиц радиуса R(м) от расстояния между их поверхностями dдо dR уменьшает потенциальную энергию их Ван-дер-Ваальсового взаимного притяжения от нуля до значительной отрицательной величины где Н (Дж) - постоянная Хаммейкера, которая отражает качественные характеристики материала частицы и среды, в которую она помещена [7, 8].-5 013443 Полная внутренняя энергия El одной частицы в системе из трех частиц (на фиг. 5 наверху слева) представляет собой сумму средней кинетической энергии теплового движения частицы (3/2)kT и потенциальной энергии связи Ван-дер-Ваальсовых сил взаимного притяжения в направлении этих связей. где k - постоянная Больцмана, k=1,38 Е-23 (Дж/к), а Т - термодинамическая температура (K). Объемная плотность внутренней энергии системы частиц(Дж/м 3) где n - количество частиц в единице объема, равном 1 м 3. В том случае, когда сферические частицы имеют радиус R где Ф - заполнение пространства сферическими частицами, 0 Ф 1. Согласно уравнению (3), при подстановке El из уравнения (2), d = d0, наименьшее возможное сближение частиц, и n из уравнения (4), можно получить зависимость объемной плотности энергииот радиуса сферической частицы R Фиг. 4 иллюстрирует уравнение (5). Ход кривой показывает явный минимум. Этот минимум представляет собой самое большое возможное уменьшение объемной плотности энергиипри радиусе частиц R. Радиус R можно вычислить, воспользовавшись уравнениями (6) и (7) Подставляя R из уравнения (7) в уравнение (5) вместо R, можно получить предельное уменьшение объемной плотности энергиисистемы частиц Из уравнений (7) и (8) вытекают основные правила построения отдельного элемента СНП, имеющего максимальную преобразуемую энергию на единицу объема и одно отдельное сокращение. Правило 1. Размер частицы (например, сферической частицы радиуса R) должен находиться в определенном соотношении с рабочей температурой Т, при предельном приближении d0 и постоянной Хаммейкера Н, например для сферических частиц, согласно уравнению (7). Правило 2. Количество преобразуемой энергии прямо пропорционально заполнению пространства частицами (например, для сферических частиц оно представлено коэффициентом Ф в уравнении (4. Правило 3. Количество преобразуемой энергии обратно пропорционально 3 степени предельного сближения частиц d0. Правило 4. Количество преобразуемой энергии прямо пропорционально 3 степени постоянной Хаммейкера Н. Правило 5. Количество преобразуемой энергии обратно пропорционально 2 степени рабочей термодинамической температуры Т. Взаимное расположение частиц в состоянии релаксации. Поверхности всех компонентов основного элемента СНП заряжены электрическим зарядом одного и того же знака (например, отрицательного, вследствие специфического поглощения из окружающей среды, вследствие диссоциации поверхностных слоев частиц, электрическими зарядами из внешней электрической цепи или каким-либо другим механизмом). В окружающей среде с низкой концентрацией противоионов присутствующий повсюду один и тот же заряд приводит к присутствующему повсюду отталкиванию всех компонентов. Взаимодействие отталкивания между компонентами приводит к образованию регулярной структуры, похожей на кристаллическую решетку. Взаимное расположение функциональных частиц в состоянии релаксации определяется низкой-6 013443 концентрацией противоионов, окружающих функциональные частицы, и взаимное отталкивание становится значительным. В соответствии с приближением Держагена-Ландау-Вервея-Овербика (7) к уравнению (2) добавляется член EEL, учитывающий электростатическое отталкивание.-1 - "толщина" двойного слоя противоионов, m; 0 - параметр поверхностного потенциала на частицах; 01."Толщина" двойного слоя противоионов вычисляется по следующей формуле [7]: где- абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума,= 8,854 Е-12 Фм-1;R - относительная диэлектрическая проницаемость среды; Е - элементарный заряд, Е = 1,602 Е-19 К, иZ - валентность противоионов в среде. Эффективный энергетический барьер, препятствующий коагуляции функциональных частиц (в данном случае, препятствующий сокращению СНП), образуется при достаточно низкой концентрации противоионов. Силы электростатического отталкивания вызывают движение частиц в сторону дна барьера(около 3/2 kT) на расстоянии dR, которое можно вычислить с помощью уравнения (9) Расстояние dR определяет регулярное взаимное расположение функциональных частиц, согласно фиг. 6. Плотность заполнения пространства частицами составляет где коэффициент 0,74 представляет собой заполнение координатными сферами в решетке с гексагональной плотнейшей упаковкой (максимально возможной плотностью), а дробь DH/DC представляет собой отношение между диаметрами частиц и координатными сферами. Таким образом, данное взаимное расположение удовлетворяет правилу 2. Как взаимное расположение координатных сфер в решетке с гексагональной плотнейшей упаковкой, так и силы электростатического отталкивания обеспечивают свободное движение всех волокон в свободных каналах из функциональных частиц (фиг. 6). Взаимное расположение частиц в состоянии сокращения. Однако локальная высокая концентрация противоионов вызывает локальное разрушение электрического двойного слоя и частичную нейтрализацию отталкивания. Ван-дер-Ваальсовы силы притяжения могут оказаться преобладающими в этих местах и в это время. Как видно из верхнего левого чертежа на фиг. 5 и 7, взаимное расположение координатных сфер в решетке с гексагональной плотнейшей упаковкой позволяет частицам располагаться триадами, а также обеспечивает в состоянии сокращения предельное сближение d0 и сжатие волокна А, имеющего диаметр,существенно больший, чем расстояние d0. Ван-дер-Ваальсова сила притяжения между парами частиц может быть приближенно рассчитана с помощью уравнения Кинетическое давление потока ионов вдоль волокна А 1 (или какое-либо иное воздействие) наклоняет функциональные частицы к центру основного элемента до положения 3 (фиг. 7, внизу). Дальнейшее сближение частиц сдвигает кверху актиновое волокно А 1. Каждая триада частиц воздействует тремя перпендикулярными силами FH на волокно А, тремя силами FN на волокна N и тремя осевыми силами FA на одно волокно А (фиг. 5). В основном элементе используется множество триад, чтобы создать значительную результирующую силу путем умножения сил FA. В основном элементе используется циклическое повторение отдельных осевых сдвигов (например,по 15 нм) волокон А 1 и А 2, чтобы вызвать значительное результирующее сокращение (например, 15 нм 100 = 1,5 мкм). Краткое описание чертежей Фиг. 1. Электрохимическое включение циклического процесса (окислительно-восстановительного)-7 013443 и объемные изменения в системе полиперол-NaDBS. Фиг. 2. Наверху - саркомер в скелетной мышце млекопитающего в состоянии релаксации. Внизу колебание головок миозина заставляет тонкое волокно двигаться к центру, тем самым укорачивая саркомер, который сокращается. Фиг. 3. Конструкция основного элемента сдвигового нанопреобразователя (СНП). Наверху - СНП в состоянии релаксации. Положения частиц и волокон определяются силами электростатического отталкивания в регулярной решетке. Внизу - СНП в состоянии сокращения. Наклон частиц вынуждает волокна А 1 и А 2 двигаться к центру, тем самым укорачивая СНП, который сокращается. Фиг. 4. Плотность кинетической K, потенциальной Ван-дер-Ваальсовой p и полной внутренней энергии , соответственно, системы, состоящей из сферических частиц, в зависимости от их радиуса R. Ф=0,185, Т=310 K, Н=5 Е-21 Дж, d0=0,424 нм. Фиг. 5. Возникновение растягивающего усилия в волокне. Наверху слева: взаимное расположение функциональных сферических частиц вокруг волокна А; наверху справа: равновесие сил на плоскости,перпендикулярной волокну А; внизу слева: наклон частиц к волокну А и возникновение растягивающего усилия FA; внизу справа: равновесие сил в осевом сечении А-В. Фиг. 6. Подробное изображение взаимного расположения частиц, отстоящих друг от друга на расстоянии dR (вычислено из уравнения 11) в основном элементе СНП в состоянии релаксации. В поперечном сечении (наверху) гексагональная плотнейшая упаковка координатных сфер диаметра DC определяет взаимное расположение сферических частиц диаметра D=2R. Половина просветов между частицами проходят насквозь через всю систему и образуют три линейных канала. В них распределены свободные волокна А 1, волокна А 2 и волокна М с тремя свисающими волокнами N (на нижнем чертеже, на верхнем не показаны), к которым прикреплены три частицы в каждом отдельном слое. Волокна А 1 прикреплены к передней Z-плоскости, А 2 - к задней Z-плоскости основного элемента (см. фиг. 3). Фиг. 7. В состоянии сокращения (поступление ионов вдоль волокна А 1) три сферических (или иных) частицы в каждом отдельном слое приближаются друг к другу из положения 1 в положение 2(внизу) и сжимают активное волокно А 1. Кинетическое давление потока ионов (или какое-либо другое воздействие) наклоняет частицы в положение 3 (сечение М - центр частицы - А 1 - центр частицы - М(внизу. Дальнейшее сближение частиц сдвигает актиновое волокно вверх. Фиг. 8. Взаимодействие сферических частиц диаметра DH = 21 нм в воде (Н=5 Е-21 Дж, R = 80, Т = 310 K) в соответствии с уравнением (9) при сокращении (n = 1 Е 28 м-3, dU = 0,424 нм) и релаксации (n = 2E24 м-3, dR= 21,6 нм). Примеры выполнения изобретения Размер частиц - уравнение (7). Оптимальный радиус сферической частицы полимера в воде, нагретой немного выше комнатной температуры, (Н = 510-21 Дж, Т = 310 K), при предельном сближении d0 = 0,424 нм (толщина двух слоев ионов Са 2+) рассчитывается следующим образом: Предельное изменение Ван-дер-Ваальсовой энергии - уравнение (8). В рассматриваемом случае изменение внутренней энергии для заполнения пространства Ф = 0,185 Изменение полной энергии взаимодействия - уравнение (9). На фиг. 8 представлена энергия взаимодействия в зависимости от взаимного расстояния между сферическими наночастицами с радиусом R = 10,5 нм, относительной диэлектрической проницаемостью в водной среде R80 и меняющейся концентрацией двухзарядных ионов в соответствии с параметрами на графике. Частицы в состоянии релаксации находятся при самой низкой концентрации катионов 2 Е 24 м-3,сферические частицы отталкиваются в разные стороны на расстояние между ними dR= 21,6 нм, и волокна могут свободно перемещаться между частицами. За пределами перехода релаксациясокращение концентрация двухзарядных ионов становится выше 1 Е 28 м-3, и сферические частицы сближаются на предельное расстояние dU= 0,424 нм. Промышленное применение СНП может предоставить прикладной науке простой аналог технических приводов с высокими рабочими характеристиками; по сравнению с современными приводами, представленными в таблице, рассматриваемые сдвиговые наноприводы (СНП) имеют существенно меньшие размеры, обеспечивают большую деформацию, меньшее время срабатывания, более высокую плотность мощности, лучшую точ-8 013443 ность регулировки положения и более низкое входное напряжение. Главными областями применения сдвиговых наноприводов могут быть медицина и промышленность. В медицине подобные преобразователи могут использоваться для транспортировки лекарств, в диагностике, активных биологически совместимых полимерных имплантатах, используемых вместо мышц, имеющих напряжение возбуждения, сравнимое с потенциалами действия, в ортопедии, хирургии и т.п. Электроника будущего и микро(нано)электромеханические системы (MEMS, NEMS) будут использовать маленький размер основного элемента с малым временем срабатывания, низким напряжением возбуждения, значительными деформациями и отличной точностью регулировки положения. Крупные многокомпонентные системы с высокими рабочими характеристиками могут быть построены с использованием модульного конструирования из основных элементов, имеющих нанометровые размеры. СНП могут широко применяться во многих задачах управления в естественной и искусственной окружающей среде. Их входные сигналы, совместимые с микроэлектронными устройствами, могут генерироваться электронными схемами управления. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Элемент электромеханического преобразователя, характеризующийся тем, что по крайней мере три частицы, расположенные вокруг волокна А, прикреплены к волокну М посредством тонких волоконподвесок, и волокна и частицы помещены в жидкую или газообразную среду. 2. Электромеханический преобразователь, характеризующийся тем, что образован объединением элементов по п.1 электромеханического преобразователя.