Цели и задачи проекта

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы влияния магнитного поля на деформацию и движение намагничивающихся композитных сред (магнитных жидкостей, намагничивающихся эластомеров и др.). Данные материалы относятся к категории «умных материалов», свойства которых могут меняться в магнитном поле. В данном проекте акцент делается на исследовании особенности деформации конечных объемов намагничивающихся сред в однородных магнитных полях и возможности использования этой деформации для создания направленного движения, например, для изготовления автономных мобильных роботов, различных насосов и клапанов. Особенность таких устройств состоит в том, что они не содержат внутри себя моторов, источников питания и твердых механических элементов, при этом могут иметь достаточно малые размеры.
Цели проекта:
• исследовать реологические свойства (упругость, вязкость, релаксацию напряжений) и деформации намагничивающихся эластомеров в различных магнитных полях;
• изучить возможность использования деформации тел из изотропных и анизотропных намагничивающихся эластомеров в переменных во времени магнитных полях для создания мобильных роботов;
• создать прототипы мобильных роботов из намагничивающихся материалов, управляемые переменным однородным магнитным полем и построить математические модели, описывающие их движение;
• изучить силовое взаимодействие тел из намагничивающихся материалов и магнитной жидкости, и исследовать возможность движения таких тел вдоль слоя магнитной жидкости в однородном магнитном поле;
• создать прототип насоса-дозатора на основе магнитной жидкости, взаимодействующей с телом из намагничивающегося эластомера, управляемый переменным однородным магнитным полем, и разработать математическую модель, описывающую его работу.

Процесс исследования

1.    Созданы образцы намагничивающихся эластомеров, в частности, с анизотропными свойствами. Экспериментально исследованы их реологические свойства (упругость, вязкость, релаксация напряжений) и деформации в магнитном поле.
2.    Проведена модернизация установки, создающей переменное однородное магнитное поле. Установка оборудована новыми биполярными источниками тока, которые управляются программным образом. В результате модернизации установка получила возможность создавать достаточно большое магнитное поле, меняющееся во времени по любому закону и имеющее любое направление в вертикальной плоскости.
3.    С использованием модернизированной установки проведено экспериментальное исследование движения различных роботов из деформируемых намагничивающихся материалов вдоль горизонтальной поверхности при наличии разных окружающих сред (воздух, вода, глицерин и различные смеси воды и глицерина) в переменном однородном наклонном магнитном поле.
4.    Разработана математическая модель движения двух сферических тел из намагничивающихся материалов, соединенных упругой связью, учитывающая силу тяжести, вязкие силы, сухое трение, магнитные и упругие силы. Проведен численный расчет скорости робота при различных параметрах задачи. Выполнено исследование влияния физических свойств окружающей среды на направление движения робота.
5.    Проведено теоретическое исследование движения сферического тела из намагничивающегося материала вдоль слоя магнитной жидкости в присутствии вертикального постоянного однородного магнитного поля. Выполнен расчет магнитной силы, действующей на тело со стороны слоя магнитной жидкости в однородном магнитном поле. Построена математическая модель, не учитывающая изменение толщины слоя и течение магнитной жидкости.
6.    Экспериментально исследована возможность создания движения различных тел из намагничивающихся материалов вдоль слоя магнитной жидкости в присутствии постоянного однородного магнитного поля. Изучено влияние величины и направления магнитного поля на характер движения. Исследован характер деформации поверхности магнитной жидкости.
7.    Выполнены численные расчеты скорости движения сферического тела из намагничивающегося материала в вертикальном магнитном поле вдоль слоя магнитной жидкости в рамках модели, не учитывающей течение магнитной жидкости в слое, для параметров, совпадающих с экспериментальными. Проведено сравнение теоретических и экспериментальных результатов.
8.    Построена математическая модель, учитывающая изменение толщины слоя и течение магнитной жидкости к сферическому телу из намагничивающегося материала в присутствии вертикального однородного магнитного поля.
9.    Создан прототип насоса-дозатора на основе магнитной жидкости, содержащей сферическое тело из намагничивающегося материала. Экспериментально исследован характер течения магнитной жидкости и перекачиваемой немагнитной жидкости в переменном однородном магнитном поле.  
10.    Проведен численный расчет движения сферического тела из намагничивающегося материала в вертикальном магнитном поле вдоль слоя магнитной жидкости в рамках модели, учитывающей течение магнитной жидкости в слое, для параметров, совпадающих с экспериментальными. Выполнено сравнение теоретических и экспериментальных результатов.
11.    Построена математическая модель работы насоса-дозатора, которая позволяет оценить его производительность и исследовать влияние на нее параметров задачи. В процессе численных расчетов определена форма магнитной жидкости, высота ее подъема, магнитные силы, действующие на нее в однородном магнитном поле.
12.    Теоретически и экспериментально исследовано движение сферических тел из анизотропных намагничивающихся эластомеров в неоднородном магнитном поле.

Результаты проекта

В проекте исследована возможность создания направленного движения с помощью магнитоуправляемых материалов, созданы адекватные математические модели, проведены эксперименты для подтверждения полученных в теории результатов. Созданы образцы мобильных роботов из упругих намагничивающихся материалов: пружина из намагничивающегося эластомера и два намагничивающихся сферических тела, соединенных немагнитной упругой связью. Созданы образцы намагничивающихся эластомеров, показано влияние величины магнитного поля на их реологические свойства. Созданы образцы сферических тел из анизотропных намагничивающихся эластомеров путем полимеризации в однородном магнитном поле. Исследовано их движение в неоднородном магнитном поле. Проведено исследование движения сферического тела из намагничивающегося материала вдоль слоя магнитной жидкости в присутствии вертикального постоянного однородного магнитного поля. Исследована возможность равновесной левитации сферических тел из намагничивающихся материалов в капле магнитной жидкости на горизонтальной плоскости в однородном горизонтальном магнитном поле. Построена математическая модель течения тонкого слоя вязкой магнитной жидкости около намагничивающегося цилиндра в длинноволновом приближении. Спроектирован и изготовлен прототип насоса-дозатора, в котором поршнем служит магнитная жидкость, содержащая внутри себя сферическое тело из намагничивающегося материала. Построена математическая модель работы насоса-дозатора, получено достаточно хорошее совпадение расчетов и экспериментальных данных.