Электроосмотический актуатор из гидрогеля оказался подвижным и сильным
Корейские инженеры сделали мягкий актуатор, который основан на электроосмосе. Два электрода и слой потрескавшегося золота заставили поочередно набухать разные стороны гидрогеля, отчего его часть деформировалась или сгибалась. Электроосмотический актуатор продемонстрировал рекордные для электрохимических устройств подвижность и силу, кроме того, его можно изготовить любого размера и формы. Статья опубликована в ASC Nano.
Одно из наиболее популярных инженерных направлений в наши дни — разработка мягких механизмов, таких как ловкий захват для хрупких предметов неправильной формы. Искусственные пальцы — далеко не единственный вариант мягкой техники. Например, при помощи полимера с памятью формы можно создать аналог ресничек эпителия, которые бы двигали густую слизь или мелкий порошок по гибкому каналу. Или, например, американские инженеры сделали подвижную роботизированную ткань для одежды. Для мягких движущихся устройств остаются актуальными те же параметры, что и для жестких: сила и скорость движения, подвижность, управляемость, энергопотребление и механическая прочность.
Йон Кук Ко (Jongkuk Ko) из Университета Корё и его коллеги сделали мягкий подвижный актуатор на основе гидрогеля, который приводится в действие силой электроосмоса. На полоску полиакриламидового геля с двух сторон нанесли несколько слоев наночастиц золота. Эти частицы слепились, и сформировали потрескавшийся проводящий слой толщиной около сотни нанометров.
Один слой золота подсоединили к отрицательному электроду, а второй к положительному, и вода за счет электроосмоса начала просачиваться сквозь гель к отрицательно заряженной стороне, отчего та набухла. Поскольку одна сторона геля набухла и увеличилась, а вторая нет, полоска начала деформироваться и согнулась. После смены полярности электродов те же силы выгнули ее в другую сторону, и таким образом гель превратился в гибкое щупальце.
Электроосмотический актуатор оказался очень подвижным и смог сворачиваться в кольцо в обе стороны за пару секунд при рабочем напряжении три вольта, в то время как обычно потрескавшиеся электроды при такой деформации выходят из строя.
Для демонстрации возможностей инженеры сделали из него механический захват, который при весе в 32 миллиграмма и длине один сантиметр смог поднять батарейку весом один грамм. Для сравнения, другие электрохимические захваты могут удерживать грузы лишь в два раза тяжелее себя. Захваты-щупальца — не единственное возможное применение актуатору. Поскольку он может быть почти любого размера и формы, то, например, из него можно сделать самосворачивающийся коврик, который укутывает объект, или из сети управляемых ресничек изготовить «конвейер».
Мягкий актуатор — это «руки» мягкого робота, но ему нужен какой-то орган, который будет принимать решения, и в Британии смогли сделать жидкостные логические цепи из мягких трубок. Мягким можно сделать и сам электрический насос, правда, только для диэлектрической жидкости.
Василий Зайцев
В других опытах использовался морской моллюск хитон
Японские инженеры использовали мокрицу и морского моллюска хитона в качестве захвата для роборук. В экспериментах оба беспозвоночных успешно захватывали, удерживали и вращали предметы в воздушной и водной среде соответственно. Исследователи надеются, что в будущем этих и других животных можно будет использовать для создания биогибридных устройств. Впрочем, некоторые их коллеги настроены скептично. Препринт исследования выложен на сайте arXiv. Ученые давно вдохновляются анатомией животных при создании разнообразных роботов. А в последнее время разрабатывается все больше биогибридных устройств, в которых живые организмы или части их тел совмещены с механическими деталями. Например, в прошлом году американские инженеры превратили мертвого паука-волка в пневматический захват. Авторы другого проекта использовали усики и мозг живой саранчи, чтобы создать детектор злокачественных клеток (подробнее об этом читайте в нашем материале «Запах опухоли»). Команда инженеров, которую возглавил Кэндзиро Тадакума (Kenjiro Tadakuma) из Университета Тохоку, предложила использовать живых существ в качестве концевых эффекторов (захватов) роботов. Согласно задумке исследователей, животное можно прикрепить на конец стандартной конечности робота и захватывать с его помощью различные предметы. В первую очередь на эту роль подойдут существа с экзоскелетом, для которых характерны рефлекторные движения. Чтобы оценить потенциал этой идеи в воздушной и водной средах, Тадакума и его соавторы провели серию экспериментов со сворачивающейся в шар мокрицей из семейства Armadillidiidae и морским моллюском из класса хитонов (Polyplacophora), представители которого используют нижнюю часть мантии и ногу в качестве мощной присоски для крепления к камням и скалам. По одной особи каждого вида поймали в кампусе Университета Тохоку и в Японском море соответственно. Механические детали роборук напечатали на 3D-принтере. Для присоединения мокрицы к роботизированной конечности исследователи разработали крепления с одним или двумя гибкими жгутами. Крепление первого типа позволяло ракообразному свернуться в шар, а крепление второго типа фиксировало его в развернутом состоянии. При этом хитона прикрепили к роборуке с помощью нанесенного на панцирь эпоксидного клея. Эксперименты с мокрицей проводились в воздушной среде. В ходе испытаний исследователи подносили кусочек ваты к роборуке с прикрепленным к ее концу ракообразным. После прикосновения к этому объекту мокрица рефлекторно сворачивалась и захватывала его. А примерно через 115 секунд она снова разворачивалась и отпускала ватку. В других тестах к кусочку ваты подносили мокрицу, которая не могла свернуться, поскольку была прикреплена к роборуке парой креплений. Вместо этого она перебирала конечностями, перемещая ватку. https://youtu.be/yo_mXCJRFZs Испытания хитона в качестве концевого эффектора проводились в аквариуме. Моллюска, прикрепленного к роборуке, подносили к предметам, сделанным из пробки, дерева и пластика. Во всех случаях хитон прочно прикреплялся нижней частью тела к поверхности этих объектов. Для сравнения, обычные вакуумные присоски не могут удерживать предметы из пробки и дерева. Кроме того, авторы сняли на видео, как неподвижно закрепленный хитон пытается ползти вдоль деревянного и пластикового цилиндра и в результате вращал его. https://youtu.be/fL4DzqKwUYw Ни одно из животных во время испытаний не пострадало. После окончания опытов мокрицу выпустили в дикую природу, а хитон остался жить в аквариуме. Результаты экспериментов подтверждают, что живых существ можно использовать в качестве рабочих инструментов роботов. Однако исследователи признают, что пока у них нет возможности контролировать время, в течение которого подопытные животные удерживают предметы. Если мокрицы через несколько минут сами отпускают кусочек ваты, то хитоны могут оставаться прикрепленными к предметам намного дольше. Авторы предполагают, что, поскольку эти моллюски избегают солнечного света, их можно вынудить ослабить хватку или начать перемещать объект с помощью оптических стимулов. Тадакума с соавторами предполагают, что концевыми эффекторами могут быть не только мокрицы и хитоны, но и другие организмы, начиная с бактерий и инфузорий. Например, морские звезды, осьминоги и лягушки могли бы захватывать предметы с помощью присосок, а грифовые черепахи (Macrochelys temminckii) — перекусывать их своими челюстями. Пауков и гусениц шелкопрядов авторы предлагают использовать для трехмерной печати шелком. Впрочем, некоторые коллеги скептически отнеслись к идеям авторов. По их мнению, использование живых существ в качестве эффекторов не приносит никакой дополнительной выгоды и при этом вызывает множество этических вопросов. Ранее мы рассказывали о том, как инженеры из США использовали чучела птиц для создания орнитоптеров. Один из прототипов с искусственным корпусом покрыт настоящими перьями фазана, а в передней части корпуса закреплена голова чучела кеклика. Второй беспилотник создан на базе крыльев голубя. Оба таксидермических махолета успешно выполнили тестовые полеты. В будущем подобные орнитоптеры могут использоваться для наблюдения за дикой природой или для разведывательных миссий.
