Природа на протяжении миллионов лет развила и усовершенствовала микрои нанороботов вплоть до клеточного уровня. Благодаря электронному микроскопу удалось воочию увидеть движущуюся клетку, расшифровать за последние 200 лет структуру и механизм водородного цикла энергоснабжения с помощью АТФ, понять принципы электродвижения клетки и бактерии. Рукотворные, т. е. созданные человеком электромашины (ЭМ), за последние десятилетия развиваются в сторону компактности весьма стремительно, обеспечивая нужды роботизации и медицины. Стандарты [1, 2] значительно устаревают и не успевают соответствовать достижениям материалов и технологиям [3]. Условное разделение по классам ЭМ соответствует [4]:
– электромеханические и мехатронные системы – более 1 мм;
– микроэлектромеханические системы (МЭМС) – диапазон 1–1000 мкм;
– нано-электромеханические системы (НЭМС) – диапазон 1–100 нм.
Нужды медицины требуют реализации двигателя и электропривода размером менее 1 мм с крутящим моментом до 0,1 мкНм, диаметром до 1,9 мм, зубчатым колесом менее 0,5 мм, т. е. освоения МЭМС. В настоящее время использование технологии углеродных нанотрубок (УНТ) позволяет освоить диапазон НЭМС.
Цель статьи состоит в анализе количественных характеристик компактной ЭМ, выбору критериев их отбора и в анализе метода электромагнитных расчетов насыщенной ЭМ.
Количественные характеристики ЭМ оцениваются размером и величиной преобразуемой энергии. ЭМ бывают естественные (природные) и рукотворные, т. е. созданные человеком. Традиционные рукотворные ЭМ в качестве генераторов и двигателей могут иметь мощность приблизительно от 0,01 Вт до 2 ГВт (предельная мощность по прочности 2,5 ГВт) с размерами по диаметру или длине порядка примерно от 1 мм до 30 м. В результате ЭМ бывают очень разные по размерам, мощности и преобразуемой энергии.
Существует класс устройств, также созданных человеком, имеющих размеры, меньшие самых маленьких традиционных ЭМ, – это микроэлектромеханические системы (МЭМС), которые включают компоненты микронных размеров. МЭМС состоят из компонентов размером от 0,001 до 0,1 мм. Самый маленький рукотворный «молекулярный» электродвигатель имеет размер 200 нм.