Китайські дослідники розробили автономного робота, який вміє розвивати швидкість до 48 сантиметрів на хвилину і затягнути вантаж вагою як 20 таких роботів на схил до 12 градусів. Все це він робить сам, скручуючись у трубку при нагріванні, що дає йому змогу рухатися перекатами. Як створити такого самостійного робота з друкованого на 3D-принтері рідкокристалічного полімеру, вчені повідомили у Matter.
Робот з вантажем. Fei Zhai et al. / Matter, 2021
Навіщо скручувати робота у трубку?
Ми багато пишемо про м'яких роботів, які захоплюють інженерів завдяки простоті конструкцій та вмінню адаптуватися під майже будь-які умови, що веде не лише до широкого спектра задач, а і до безпечнішої взаємодії з людьми. Цей клас м’яких пристроїв вписується у більш розвинену область традиційної «жорсткої» робототехніки та доповнює її гнучкістю та піддатливістю — наприклад, полегшує вченим завдання зі згинання жорстких кінцівок. Хоча варто зазначити, що м'яка робототехніка є більшою мірою сферою хіміків і матеріалознавців, адже спирається на властивості матеріалів, що можуть перебирати на себе ролі, які відіграють датчики, виконавчі механізми та контролери у жорсткій робототехніці.
Гнучкість подібних пристроїв з технологічної точки зору підвищує і можливість виготовлення за допомогою 3D-друку — він підтримує і велику кількість матеріалів та їх поєднань, і не вимагає особливих ресурсів, і дає змогу швидко створювати добре налаштовувані прототипи. З його допомогою з'являється можливість створювати складні деталі на основі цифрових моделей і точно налаштовувати або змінювати в часі їхні параметри. Тим більше що саме 3D-друк дає можливість додавати «четвертий» вимір — характеристику об'єкта, яка буде з'являтися з часом під дією якогось тригера. Власне, скручування робота в трубочку під дією температури, про яке йдеться у цій роботі інженерів Тяньцзиньського університету, і є цим додатковим четвертим виміром. Саме серія нескладних і контрольованих ще на етапі створення деформацій перетворить зразок в цілком дієздатний пристрій, який може виконувати якусь корисну роботу.
Звідки береться четвертий вимір?
Все ж важливо зазначити, що захоплення інженерів четвертими вимірами, тобто змінністю їхніх розробок у часі, все ще сильно обмежується матеріальною базою. Наприклад, полімери з ефектом пам'яті форми вимагають механічної обробки після друку для досягнення деформованості, що вже ускладнює процес виробництва. Хоча нещодавно Nauka.ua розповідала про четвертий вимір для плаского шару гідрогелю, який вдалося перетворити у мушлю, модель авто та навіть обличчя одного з розробників за допомогою заздалегідь запрограмованим вигинам, які наніс 3D-принтер. Також популярними є підходи з гідрогелями, які вміють хапати предмети, плавати і затягувати поранення також завдяки четвертій літері «D», яка під впливом температури дарує їм додаткові можливості від деформації. Втім, навіть такі багатофункціональні гідрогелеві конструкції працюють лише у воді. Тому у цій роботі вчені під керівництвом Фей Чаї (Fei Zhai) вирішили звернутися до рідкокристалічних еластомерів.
Це рідкі еластичні кристали, де ланцюжки молекул при підвищенні температури здатні змінювати просторову орієнтацію. Для нас це виглядає як розтягування і стискання. Їх використовують як штучні м'язи, розумну тканину та системах, які наслідують біологічні організми. При проєктуванні пристроїв з такого матеріалу, його необхідно змусити деформуватися саме у визначених ділянках і при цьому зберігати однорідність структури. Цього зазвичай досягають за допомогою струменевих 3D-принтерів і зокрема у цій роботі, волокна осідали і розміщувалися одночасно, а ділянки, що мали деформуватися, створювалися за допомогою зміни траєкторії нанесення рідкокристалічного чорнила.
Як покотився робот?
Отже, за допомогою 3D-принтера, вчені створили кілька стрічок з рідкокристалічних чорнил довжиною до десяти сантиметрів, і нагрівали їх на плиті до 160-180 градусів Цельсію. Під дією температури, стрічки скручувалися у трубки та починали котитися. І саме траєкторію цього руху, саме скручування та форму «змійки» можна контролювати, налаштовуючи траєкторію нанесення чорнил ще на етапі виробництва.
Скручування стрічки з рідкокристалічного полімеру на нагрітій плиті. Fei Zhai et al. / Matter, 2021
Щоб продемонструвати продуктивність робота, вчені влаштували перегони зразків довжиною у сім і десять сантиметрів. Так з'ясувалося, що довший робот є швидшим, незалежно від розміру вони можуть витримувати температури до 250 градусів, а швидкість знизиться всього на 12 сантиметрів на хвилину (з 48 до 36) після зістарювання зразка у печі протягом приблизно 40 годин при 180 градусах. Причому і стабільність кочення залишилася незмінною, а її сили вистачає навіть, щоб котитися вгору з нахилом у 12 градусів.
Робот видирається на схил під нахилом лише завдяки процесу подальшого скручування. Fei Zhai et al. / Matter, 2021
Втім, рухатися під дією температури не надто схоже на контрольований корисний рух. Але і тут робот обходить своїх полімерних родичів — у нього є своєрідне тактильне сприйняття, що дає змогу досліджувати перешкоди на шляху вперед. Завдяки м'якості матеріалу і конструкції, вільний рух трубчастого робота можна легко активно або пасивно змінити. У порівнянні з існуючими м'якими роботами, керованими світлом, температурою чи магнітним полем, створений робот просто вимагає невеликої зміни напрямку кривини без зміни факторів навколишнього середовища. Легкий дотик може змінити напрямок кочення, а отже і робот може самостійно реагувати на зовнішні сили при зіткненні з перешкодами, подібно комасі з парою вусиків.
Так вчені провели з роботом кілька експериментів у лабіринті зі скелець. І, наприклад, якщо роботу їхньої висоти замало, він просто перекочується прямо по них. Але якщо перешкода зависока, він змінює напрямок на протилежний і котиться назад. Що як поза ним також буде така перешкода? Він котитиметься між ними доти, поки з часом не відхилиться від центру нагрівальної пластини і не розв'яже спіраль. Так за сприятливого для руху середовища, на думку дослідників, робот майже нескінченно зможе котитися вперед і назад і навіть так розв'язувати практичні завдання. Наприклад, ми, знаючи його швидкість і довжину шляху, яким має пройти робот, можемо вирахувати наявність перешкод на ньому за часом затримки робота.
Робот долає скельце-перешкоду. Fei Zhai et al. / Matter, 2021
На цьому виконані роботом корисні завдання не скінчилися й вчені вирішили наділити його ще і вантажем. Так оскільки всередині робот порожній, цей циліндр цілком можна чимось навантажити. Інженери підрахували, що десятисантиметровий робот уповільниться до 0,6 сантиметра на хвилину навантаженням у шість грамів — майже у сто разів більше, як його власна вага. Втім, під час експериментів, використовували вагу всього у 40 разів більшу, та причепили дротом вантаж у три грами на п'ятисантиметрового робота. З'ясувалося, що довші зразки можуть тягнути більш важкий вантаж, оскільки вантажність зразка прямопропорційна довжині. А також, що роботи із вантажем також рухаються з постійною швидкістю, що дійсно дає їм змогу виконувати і такі важкі завдання.