Как сообщает онлайн-журнал об энергетике «Энергия+», открытый братьями Пьером и Жаком Кюри пьезоэффект сегодня используется в самых разных областях — от бытовых устройств и часов до медицинского оборудования и робототехники. Свойство некоторых материалов реагировать на механическое воздействие электрическим сигналом позволило создать целый ряд полезных технологий.
Как механическое воздействие превращается в электрический сигнал
В 1880 году французские физики обнаружили необычное свойство некоторых кристаллов. При сжатии, растяжении или изгибе таких материалов на их поверхности возникает электрический заряд. Это явление получило название пьезоэффекта — от греческого слова, означающего «сжимать».
Объясняется эффект смещением внутренних зарядов кристалла. В обычном состоянии они находятся в равновесии, однако деформация нарушает его. В результате на разных сторонах материала появляются заряды противоположного знака. Чем сильнее воздействие, тем выше возникающее напряжение.
Существует и обратный пьезоэффект. Если пропустить через такой материал электрический сигнал, он начнёт изменять форму и вибрировать. Именно эта способность позволяет использовать пьезоэлементы сразу в двух направлениях: для получения электрического сигнала из механического воздействия и для создания механических колебаний с помощью электричества.
Зажигалки, часы и ультразвуковая диагностика
Простой пример применения пьезоэффекта — газовая зажигалка с кнопкой. При нажатии специальный механизм наносит удар по пьезоэлементу. Возникающее напряжение создаёт искру, которая воспламеняет газ.
Похожий принцип используется в кварцевых часах. Электрический импульс заставляет кварцевый резонатор колебаться с постоянной частотой — 32 768 Гц. Электронная схема преобразует эти колебания в точные интервалы времени и обеспечивает работу часов.
Особенно большое значение пьезоэффект приобрёл в медицине. В ультразвуковом датчике пьезоэлементы превращают электрические импульсы в ультразвуковые волны. Они проходят через ткани организма, отражаются от внутренних структур и возвращаются к датчику. После этого кристаллы преобразуют полученные колебания в электрические сигналы, а компьютер на их основе формирует изображение внутренних органов.
Искусственная кожа для роботов
Одним из перспективных направлений стало создание гибких пьезоэлектрических сенсоров. Они способны реагировать на прикосновение, давление, удар и вибрацию, поэтому могут стать основой искусственной кожи для роботов.
В 2022 году китайские учёные разработали гибкий пьезоэлектрический датчик для роботизированной кисти. При воздействии плёнка внутри сенсора деформировалась и вырабатывала электрический сигнал. По его характеристикам система определяла силу и направление воздействия.
Несколько таких датчиков разместили на пальцах робота. Во время испытаний он распознавал прикосновения, удары и вибрации, а также фиксировал увеличение нагрузки при удерживании бутылки с постепенно повышавшимся объёмом воды.
В перспективе подобные технологии могут помочь роботам получить подобие осязания. Кроме того, пьезоэлектрические сенсоры способны использоваться в протезах, позволяя передавать человеку информацию о прикосновении и силе воздействия.