Технології
Технології

Повітряні бульбашки змусили м'які конструкції з еластомерів рухатися

Матеріалознавці з Принстонського університету знайшли новий спосіб приводити м'яких роботів у рух. Так, якщо запускати у залиту еластомером форму бульбашку з повітря, вона утворить у конструкції порожнину, яку потім можна використати для руху створеної фігури. Виготовлена за таким принципом еластомерна рука вхопила ягоду ожини, а риба помахала хвостом у воді. За словами вчених, технологія забезпечить дешеве виготовлення виконавчих механізмів для м'яких роботів, щоб ті виконували корисні дії з регульованою силою. Стаття про таке «бульбашкове лиття» доступна у Nature.

Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021

Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021

Що робили інженери?

М'яка робототехніка стала головною альтернативою роботам, яким у більшості досі складно виконувати свої функції без складних рухових конструкцій, електроніки та в екстремальних середовищах як-то на морських глибинах. Звичним нам роботам, не зважаючи на всі їхні досягнення, складно виконувати плавні рухи, складно обережно прикладати свої сили, та складно навіть плисти або повзати. Жорсткі роботи можуть бути неймовірно потужними і точними, але як правило, вони вузькоспеціалізовані та рідко демонструють широкий спектр вмінь.

Інженери вважають, що наступне покоління роботів має бути піддатливим і здатним безпечно взаємодіяти з людьми або переміщатися у жорстко обмежених середовищах. Подібно до восьминогів, що протискуються будь-якими отворами, або гусениць, що котяться нерівними поверхнями, м'який робот повинен адаптувати свою форму і стратегію пересування для широкого кола завдань, перешкод і умов навколишнього середовища. Так свою нішу зайняли конструкції, якщо їх можна так назвати, з матеріалів, що легко деформуються — рідин, гелів, еластомерів.

У заповнену еластомером форму пускають повітряну бульбашку. Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021

У заповнену еластомером форму пускають повітряну бульбашку. Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021

Що рухає м'яких роботів?

Найчастіше м'які роботи використовують схожі на м'язи м'які приводи, які згинаються, скручуються, стискуються чи подовжуються на вимогу. Тому майже всі м'які роботи біоінспіровані — наприклад, нещодавно ми писали про натхнені морськими огірками м'які маніпулятори, що вміють стягувати рани, або про робота з плавниками, який підкорив Маріанську западину.

І хоча існує безліч хімічно, термічно, електрично або магнітно активованих роботів, значну увагу завдяки простому і швидкому спрацюванню привернули пневматичні роботи з силіконовим корпусом, яких у рух приводить тиск.

Кінематика таких роботів лежить у тілі виконавчого механізму, тобто формі чи матеріалі, де зміна внутрішнього тиску механічно перетворюється на конкретний рух. Наприклад, керована водою роборука так пройшла перший рівень відеогри Super Mario Bros. за 90 секунд. Однак у виготовленні вони вимагають послідовного формування та каркасів, адаптованих для конкретних приводів. Це значно обмежує інженерів у методах виготовлення, а роботів простою геометрією та складнощами у масштабуванні.

У цій роботі інженери Принстонського університету запропонували новий метод, в обхід вимог приводів з незалежними джерелами рідини — так зване «бульбашкове лиття». Він заснований на законах рідинної механіки та замість того, аби покладатися на окремі деталі у конструкції, використовує міжфазні потоки в еластомерах, які змусять їх послідовно рухатися заздалегідь запрограмованим чином.

Хвіст цієї уявної риби рухається завдяки бульбашкам у його рушійній конструкції. Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021

Хвіст цієї уявної риби рухається завдяки бульбашкам у його рушійній конструкції. Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021

Як працює «бульбашкове ливарне» виробництво роботів?

Процес починається з того, що рідкий еластомер упорскується у форму бажаного готового виконавчого механізму. Потім частину рідини витісняють тією самою бульбашкою повітря, яку пускають по всій довжині форми. Коли ця бульбашка повністю її заповнює, над нею залишається тонка плівка еластомеру, решта якого зосереджується внизу, біля основи.

Контролювати порожнечі можна, контролюючи швидкість бульбашки, а щоб передбачити остаточну товщину, потрібно враховувати в'язкість розплаву у міру його затвердіння. По суті фізика робота буде результатом конкуренції між гравітаційними силами та капілярністю, що призводить до рівняння Юнга – Лапласа.

Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021

Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021

Щойно еластомер затвердіє до свого гумоподібного стану, його виймають із форми. Оскільки при надуванні верхня мембрана форми значно тонша, ніж її нижня частина, створюється крутний момент, який і приводить її у рух. За відсутності інших сил, створена форма згинається по всій своїй довжині, а необхідний згинанню тиск збільшується з товщиною мембрани. Прогнозування деформації приводу піддається 3D-моделюванню, що дасть змогу точно налаштувати рух майбутнього робота.

Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021

Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021

Таким чином інженерам вдалося продемонструвати, як «зіркоподібна» рука здатна вхопити ягоду ожини і не пошкодити її, пролазити у вузькі середовища і діставати з них кульки, а також як еластомірна риба може махати у воді хвостом.

М'які роботи у більшості своїй і створені для обережного маніпулювання предметами, яке, як ми говорили, поки погано піддається звичайним роботам. Так, наприклад, м'яка полімерна рука може хапати предмети мікрометрового масштабу, підіймати корисну вагу, а заразом прискорювати вилуплення равликів, яким потім виміряє серцебиття. Також завдяки можливості полегшувати конструкції, м'яка робототехніка стала у пригоді нейропротезуванню — надувна рука замінила жорсткий протез і дала змогу погладити кота.


Фото в анонсі: Trevor J. Jones et al. / Nature, 2021