Микроподводные движители. Виды микро-движителей

Движитель
Движитель — устройство, преобразующее энергию двигателя либо внешнего источника в полезную работу по перемещению транспортного средства. Является частью машин.
Примеры подводных движителей:
Ластовый движитель — пловцы, малые суда, подводный планер, акваскипер.
Гребной винт — суда и корабли.
Водомётный движитель — малые суда.

Виды микро-движителей
Имитирующий гусеницу и червями (движитель – тело робота).
«Рыбий хвост» (движитель – тело робота, хвост)
Змея (движитель – тело робота)
«Осьминог» (движитель – Щупальца, 4 камеры)
Гребной винт
Лапы лобстера

Плюсы использования движителей на основе бионических принципов
являются экологически чистыми;
обладают высокой эффективностью;
имеют малый уровень акустического излучения;
могут совмещать в себе функции нескольких устройств (движителя, управляющего устройства, стабилизатора);
обеспечивают высокие маневренные качества;
имеют сравнительно низкое аэрогидродинамическое сопротивление в «отключенном» состоянии;
имеют простую «механику» и небольшие весовые параметры;

Материалы для движителей
Пьезоэлектрическая керамика (Пьезокера́мика )— искусственный материал, обладающий пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами, имеющий поликристаллическую структуру.
Сплавы с памятью формы - явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации.
Магнитострикционные сплавы

Материал движителей - электроактивные полимеры
Электроактивные полимеры (ЭАП) - полимеры, изменяющие форму при приложении к ним электрического напряжения. Они могут использоваться как двигатели так и сенсоры.

Преимущества электроактивных полимеров в качестве искусственных мышц:
- движение контролируется электрически;
- малый вес;
- полностью бесшумные;
- выходная мощность увеличивается с размерами;
- могут быть изготовлены тонкие устройства с актюаторами от 0.1 до 10 мм;
- имитация движения животных достигается комбинацией актюаторных элементов;
- варьируя конструкции актюаторов, можно реализовать практически любой вид движения ;
- малый расход электроэнергии;
- долговременная работоспособность (до года);
- работают в воде и на воздухе.

Электроактивные полимеры подразделяются на 2 большие группы: ионные ЭАП и электронные ЭАП, внутри групп имеется более подробное деление
Ионные ЭАП:
- Полимерные гели (IGL).
- Ионные композиты полимер-металл (IPMC).
- Проводящие полимеры (СР).
- Углеродные нанотрубки (CNT).
Электронные ЭАП:
- Пьезоэлектрические полимеры (РР).
- Электрострикционные полимеры (ЕР).
- Диэлектрические эластомеры (DE).
- Жидкокристаллические эластомеры (LCE).
- Аэрогели из углеродных нанотрубок.

К их достоинствам относятся:
- большие деформации (20-380%);
- умеренные механические напряжения (до нескольких МПа в пике);
- высокая удельная нагрузка (10 К - 3,4 МДж/мЗ);
- широкий диапазон частот (10 Гц -1 кГц);
- низкая стоимость и доступность;
- малые токи;
- хорошая электромеханическая связь и эффективность (КПД) (>15% обычно, 90% max).
К недостаткам относят высокие рабочие электрические напряжения (> 1кВ) и поля (~150 МВ/м).

Рис.5 - Актюатор с 4-мя степенями свободы
Рuc.4 - Принцип работы актюатора из диэлектрического эластомера

Микродвижитель «Осьминог»
Принцип работы данного микродвижителя построен на подачи давления в пневматические контуры.
Источником питания используется пероксид водорода, который с помощью катализатора разлагается на пар и газообразный кислород.
Движитель конструируется при помощи 3D-принтера.

«Осьминог 2»

Движитель «рыбий хвост»
Микроробот Минога

Гребной винт
Гребно́й винт — наиболее распространённый современный движитель судов, а также конструктивная основа движителей других типов.
Любой современный гребной винт — лопастной, и состоит из ступицы и лопастей, установленных на ступице радиально на одинаковом расстоянии друг от друга и повёрнутых на одинаковый угол относительно плоскости вращения, и представляющих собой крылья среднего или малого удлинения.

Разновидности винтов
Винты с кольцевым крылом вращаются в открытом полом цилиндре (такие винты также известны как импеллеры), что при малой частоте вращения гребного винта обеспечивает прирост упора до 6 %. Такая насадка применяется для дополнительной защиты от попадания посторонних предметов в рабочую область и повышения эффективности работы винта. Часто применяются на судах, ходящих по мелководью.
Суперкавитирующие винты со специальным покрытием и особой формой лопастей предназначены для постоянной работы в условиях кавитации. (Применяются на быстроходных судах.)