Технології
Технології

Вчені використали висихання полімерного гелю і навчили його стрибати

Американські інженери змусили краплі полімерного гелю підстрибувати завдяки змінам форми через висихання. Вони надихнулися венериною мухоловкою, яка рухається завдяки своїм «пружинним» механізмам, та створили полімерну конструкцію, яка стрибала з питомою потужністю приблизно 312 ватів на кілограм. На початку рух гелевих крапель був повільним, однак по досягненню певної межі випаровування рідини, вони починали підстрибувати, повідомляють вчені у статті, опублікованій у Nature Materials.

Yongjin Kim, UMass Amherst 

Yongjin Kim, UMass Amherst

Навіщо полімерний гель вчити стрибати?

Еластичні структури, які вміють вивертатися навиворіт і навпаки, мають два можливих стани рівноваги, умовно — ввігнутий та випуклий. Так, наприклад, схожі на оригамі конструкції вміють стрибати. Ці системи зазвичай переходять з одного стану в інший за допомогою швидкого «перемикання» між двома станами, а рух відбувається, коли система знаходиться в стані рівноваги, яке або перестає існувати, або стає нестабільним за змін параметрів та зовнішніх умов. Розроблені раніше експериментальні реалізації плоских структур, які могли б робити так само, включають повільні процеси дифузного набухання і дуже м'які об'єкти, які зазвичай не можуть витримувати свою власну вагу. Переваги має пневматичне приведення в дію — його часто використовують у м’якій робототехніці, однак такі роботи все одно мають кілька шарів та обмежені текстурою поверхні, що накладає обмеження на можливий рух. Втім, структури зі змінною формою лежать в основі майбутніх додатків в аеронавтики, мінімально інвазивної хірургії, тканинної інженерії або інтелектуальних матеріалах. Сучасні інженерні технології, засновані на неоднорідному спрацьовуванні по товщині тонких конструкцій, по суті, поки обмежені односпрямованим вигином, тобто не можуть «перемикатися» між двома станами рівноваги.

До чого тут венерина мухоловка?

Інженери були натхненні тим, як рослини, такі як венерині мухоловки, можуть «перемикатися» між двома станами (закритий і відкритий), використовуючи лише власну енергію та послуговуючись взаємодією з навколишнім середовищем. Швидке закриття листків квітки відбувається приблизно за 100 мілісекунд — один з найбільш швидких видів рухів у рослин. Закриття пастки ініціюється механічної стимуляцією тригерних волосків на листках. Однак, швидке її закриття є результатом нестабільності між випинанням і навпаки згинанням назад, початок якої активно контролюється рослиною. Спостереження показують, що закриття характеризується повільним накопиченням пружної енергії з подальшим її швидким вивільненням.

Як стрибає гель інженерів?

Свій «самохідний» матеріал вчені отримали, коли проводили експерименти з висиханням еластичної смужки гелю. Вони помітили, що в міру того, як смужка втрачала внутрішню рідину через випаровування, вона рухалася сама по собі, хоч і дуже повільно. Однак, час від часу цей процес приводив до більш швидкого руху, так званої раптової нестабільності, коли випаровування досягало певного порогу. Подальші експерименти показали, що цим процесом можна керувати, змінюючи форму матеріалу, і що смужки також можна змусити повернутися в початковий стан перед тим, як вони почнуть знову рухатися. Так вчені досліджували різні форми полімерного гелю, та обирали ті, які могли рухатися послідовно, без необхідності зовнішнього втручання. Так деякі могли навіть стрибати сходинками.

За словами вчених, це демонструє, як матеріали можуть генерувати потужний рух, використовуючи лише взаємодію з навколишнім середовищем, наприклад, внаслідок випаровування. Це може стати в нагоді для проєктування нових роботів, особливо невеликих розмірів, де важко встановлювати двигуни, батареї або інші джерела енергії, щоб вони могли залишатися компактними і виконувати унікальні завдання.