Инженеры из Университета Дьюка разработали полностью мягкого робота без электроники в форме стрекозы, который может скользить по воде и реагировать на такие условия окружающей среды, как РН, температура или присутствие масла. Демонстрация опытной модели может стать предвестником более совершенных, автономных, дальнодействующих экологических часовых для мониторинга широкого спектра потенциальных проблем.

Статья об этой разработке опубликована онлайн 25 марта в журнале Advanced Intelligent Systems.

Мягкие роботы приобретают популярность в отрасли из-за их универсальности. Мягкие части могут обрабатывать деликатные объекты, такие как биологические ткани, которые металлические или керамические компоненты повредили бы. Мягкие тела могут помочь роботам плавать или протискиваться в узкие пространства, где застревают жесткие каркасы.

Эта сфера заинтересовала Шини Варгезе (Shyni Varghese), профессора биомедицинской инженерии, машиностроения и материаловедения, а также ортопедической хирургии в Университете Дьюка.

«Я получил электронное письмо от Шини, в котором говорилось, что у нее есть идея для мягкого робота, способного использовать самовосстанавливающийся гидрогель, который ее группа изобрела в прошлом, чтобы реагировать и двигаться автономно, — рассказал Вардхман Кумар (Vardhman Kumar), аспирант лаборатории Варгезе и первый автор статьи. — Но на этом письмо закончилось, и я не получал от нее никаких известий в течение нескольких дней. Таким образом, идея некоторое время оставалась в подвешенном состоянии, пока у меня не появилось достаточно свободного времени, чтобы заняться ею, и Шини предложила мне действовать».

В 2012 году Варгезе и ее лаборатория создали самовосстанавливающийся гидрогель, который реагирует на изменение рН в считаные секунды. Будь то трещина в гидрогеле или два соседних куска, «окрашенных» им, изменение кислотности заставляет гидрогель образовывать новые связи, которые полностью обратимы, когда рН возвращается к своему первоначальному уровню.

Наскоро записанная идея Варгезе состояла в том, чтобы найти способ использовать этот гидрогель на мягком роботе, который мог бы путешествовать по воде и указывать места, где изменяется рН. Она полагала, что применив несколько других новшеств, чтобы сигнализировать об изменениях в окружающей среде, ее лаборатория могла бы спроектировать такого робота как своего рода автономный датчик окружающей среды.

С помощью Унг Хен Ко (Ung Hyun Ko), аспиранта, также работавшего в лаборатории Варгезе, Кумар начал разработку мягкого робота на основе мухи. После нескольких повторений пара остановилась на форме стрекозы, сконструированной с сетью внутренних микроканалов, которые позволяют управлять ею с помощью давления воздуха.

Они создали тело длиной около 6 см и размахом крыльев 4 см, залив кремний в алюминиевую форму и выпекая его. Команда использовала мягкую литографию для создания внутренних каналов и соединялась с гибкими силиконовыми трубками.

Родился Дработ (DraBot).

«Заставить Дработа реагировать на управление давлением воздуха на больших расстояниях, используя только самоприводы без какой-либо электроники, было трудно, — сказал Ко. — Это, безусловно, была самая сложная часть.»

Дработ работает, контролируя давление воздуха, поступающего в его крылья. Микроканалы переносят воздух в передние крылья, откуда он выходит через ряд отверстий, направленных прямо в задние крылья. Если оба задних крыла опущены, воздушный поток блокируется, и Дработ никуда не движется. Но если оба крыла подняты, Дработ идет вперед.

Чтобы добавить элемент управления, команда также разработала приводы воздушных шаров под каждым из задних крыльев рядом с телом Дработа. Надутые воздушные шары заставляют крылья сворачиваться вверх. Определяя, какие крылья движутся вверх или вниз, исследователи говорят Дработу, куда идти.

«Мы были счастливы, когда смогли управлять Дработом, но он основан на живых существах, — говорит Кумар. — А живые существа не просто передвигаются сами по себе, они реагируют на окружающую среду».

Вот тут-то и появляется самовосстанавливающийся гидрогель. Покрасив один комплект крыльев гидрогелем, исследователи смогли заставить Дработа реагировать на изменения рН окружающей воды. Если вода становится кислой, переднее крыло одной из сторон сливается с задним. Вместо того, чтобы двигаться по прямой, как было указано, дисбаланс заставляет робота вращаться по кругу. Как только рН возвращается к нормальному уровню, гидрогель «заживляет», сросшиеся крылья отделяются, и Дработ снова становится полностью отзывчивым на команды.

Чтобы усилить его экологическую осведомленность, исследователи также использовали губки под крыльями и легировали крылья чувствительными к температуре материалами. Когда Дработ скользит по воде с маслом, плавающим на поверхности, губки впитывают его и меняют цвет. А когда вода становится слишком теплой, крылья Дработа меняют цвет с красного на желтый.

Исследователи считают, что эти типы измерений могут сыграть важную роль в экологическом роботизированном датчике в будущем. Реагирование на рН может обнаруживать подкисление пресной воды, что является серьезной экологической проблемой, затрагивающей несколько геологически чувствительных регионов. Способность впитывать масла делает такие дальние скимминговые роботы идеальными кандидатами для раннего обнаружения разливов нефти. Изменение цвета из-за температуры может помочь обнаружить признаки красного прилива и обесцвечивания коралловых рифов, что приводит к снижению численности водной флоры и фауны.

Команда также видит множество способов улучшить свое детище. Беспроводные камеры или твердотельные датчики могли бы расширить возможности Дработа. А создание какой-то формы бортового топлива помогло бы подобным ботам освободиться от своих трубок.

«Вместо того, чтобы использовать давление воздуха для управления крыльями, я могу представить себе применение какой-то синтетической биологии, которая генерирует энергию, — делится Варгезе. — Это совершенно другая область, чем та, где я работаю, поэтому нам придется поговорить с некоторыми сотрудниками, чтобы увидеть, что можно сделать. Но это часть удовольствия от работы над таким междисциплинарным проектом».

Эта работа в основном выполнялась на совместном факультете материалов и приборов (SMIF) в Университете Дьюка, базовой кафедре, поддерживаемой Национальным научным фондом (ECCS-1542015) в рамках Национальной координированной инфраструктуры нанотехнологий (NNCI).

Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210325120827.htm

Основная статья: Вардхман Кумар, Унг Хен Ко, Илонг Чжоу, Цзяул Хок, Гаурав Арья, Шини Варгезе. Микроинженерные материалы с самовосстанавливающимися свойствами для мягкой робототехники. Передовые интеллектуальные системы, 2021 10.1002/aisy.202100005

от AI_NEWS

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *