Покрытие из серебра и меди найдет трещины в бетоне
Исследователи из Университета Северной Каролины разработали новое покрытие, которое позволяет отслеживать целостность конструкций практически из любых материалов, в том числе и бетона. Результаты их работы опубликованы в журнале Structural Strength Monitoring, а краткое ее изложение приводит Techxplore. Испытания показали, что новое покрытие может обнаруживать даже микроскопические повреждения, невидимые для невооруженного глаза.
Различные конструкции нередко бывают подвержены разрушающему воздействию окружающей среды: перепадам температур, влажности или агрессивным реагентам. Все эти факторы постепенно разрушают конструкции, однако отследить возникающие повреждения, особенно в самом начале процесса, бывает крайне сложно. Для этого нужны специализированные инструменты, а сама проверка конструкций занимает много времени. При этом раннее обнаружение повреждений позволяет сократить расходы на ремонт.
Исследователи из Университета Северной Каролины разработали специальные краски, содержащие мельчайшие частицы серебра и меди. Эту краску можно наносить на любую поверхность. Новая краска наносится в три слоя. Первый слой — содержащий серебро, второй слой — нейтральный, не проводящий электричества разделитель, третий — содержащий медь. По периметру покрытия следует располагать электроды, через которые будет подаваться слабое напряжение.
Специальное программное обеспечение будет замерять падение напряжения при прохождении электрического тока через покрытие. Во время экспериментов исследователи наносили покрытие на бетон. Выяснилось, что при деформации бетона деформируется и покрытие, в результате чего его электрическое сопротивление увеличивается, причем, чем сильнее будет деформация, тем сильнее вырастет сопротивление. При появлении трещины в бетоне трескается и покрытие, а его сопротивление в этом случае увеличивается на несколько порядков.
Слой краски с медными частицами тоже чувствителен к деформации и повреждениям, но меньше, чем слой краски с серебряными частицами. Однако медная краска чувствительна к хлоридам. Во время испытаний исследователи наносили на этот слой раствор поваренной соли. При этом в покрытии происходила химическая реакция с образованием хлорида меди и оксида меди, которые значительно увеличивали сопротивление покрытия. По данным исследователей, состав этого слоя можно изменить, сделав его чувствительным к конкретному типу веществ.
Разработчики нового покрытия указывают, что его можно изготовить в виде обоев, наклеиваемых на конструкции. Также их покрытие может использоваться для мониторинга состояния различных опасных объектов, в первую очередь складов и контейнеров ядерных отходов. В ближайшее время исследователи намерены разработать методику нанесения покрытия на большие по площади конструкции.
Существующие сегодня системы мониторинга конструкций отличаются масштабностью и сложностью. Они проектируются таким образом, чтобы быть частью конструкций, и закладываются в них на этапе строительства. Каждая такая система проектируется специально для конкретного типа постройки. Например, для мониторинга зданий из бетонных армированных панелей используются тензодатчики, датчики температуры и влажности и инклинометры (измерители угла наклона, отслеживающие усадку здания).
Система мониторинга управляется специальным программным обеспечением и позволяет отслеживать состояние конструкций в режиме реального времени. Чаще всего подобные системы используются на стратегических объектах, таких так атомные электростанции.
Василий Сычёв
Для движения ему достаточно одного актуатора
Инженеры разработали миниатюрного робота CurveQuad массой чуть больше 10 грамм. Его гибкий корпус деформируется за счет изогнутых складок и позволяет роботу продвигаться вперед, а также поворачивать, используя для этого только один актуатор. Разработчики продемонстрировали способность CurveQuad автоматически двигаться в направлении источника света, определяя его положение с помощью встроенных фотоэлементов. Текст доклада с описанием робота опубликован в рамках конференции IROS 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Интерес инженеров к разработке миниатюрных роботов связан возможностью выполнять задачи в условиях ограниченного пространства. Например, миниатюрных роботов предлагают использовать для внутренней диагностики механизмов без их разборки, для разведки, и для обследования разрушенных в результате стихийных бедствий зданий в поисках выживших людей. Однако разработка роботов сантиметрового масштаба — непростая задача и ее решение требует множества конструктивных компромиссов. Более сложная походка, например, может добавить роботу проворности, однако одновременно с этим приведет к росту числа степеней свободы конечностей, а значит к увеличению количества используемых актуаторов. Это, в свою очередь, оборачивается усложнением конструкции, увеличением размеров, массы и энергопотребления. Одним из решений этой проблемы могло бы стать применение в конструкции элементов оригами или киригами. Складки упругого материала, выполненные с дополнительным изгибом, позволяют накапливать дополнительную механическую энергию, чем можно воспользоваться, чтобы сократить число актуаторов, необходимых для приведения робота в движение. Такой подход выбрали инженеры под руководством Синтии Сун (Cynthia Sung) из Университета Пенсильвании. Они создали миниатюрного робота под названием CurveQuad, который благодаря изогнутым складкам в конструкции оказался способен передвигаться с помощью всего лишь одного актуатора. Масса робота составляет 10,9 грамм, а ключевая деталь его корпуса представляет собой тонкую прямоугольную пластину из PET-пластика (полиэтилентерефталат) размером 80 × 55 миллиметров. В ней с помощью лазера выполнены прорези в виде последовательно расположенных полукругов, образующих паттерн в форме двух параллельных дуг с каждой стороны пластины, симметрично расположенных относительно центра. Материал в этих областях может легко изгибаться благодаря прорезям, создавая выпуклую и вогнутую складки. В центральной полосе обеих дуг на небольшом расстоянии друг от отдруга закрепляются концы двух «сухожилий» — тяг, которые соединяются противоположной стороной с концами рычага, закрепленного на сервомоторе, ось которого находится в центре пластины. Сервопривод может поворачивать рычаг в диапазоне 270 градусов, при этом «сухожилия», соединяющие концы рычага с корпусом, стягивают его вовнутрь, приводя к изгибам. В зависимости от угла поворота рычага корпус может из плоской пластины принять симметричную куполообразную форму. В этом положении концы пластины начинают играть роль четырех конечностей робота. В промежуточных положениях рычага сервопривода корпус несимметрично деформируется по диагонали. При этом передняя «конечность» приподнимается над поверхностью, а задние смещаются друг относительно друга. Из-за возникающей между ними разности в силах трения в этот момент корпус робота смещается вперед. Если затем такую же деформацию выполнить в противоположную сторону, то робот сделает второй шаг с помощью второй «ноги». Регулируя с помощью угла поворота рычага величину деформации, а следовательно и длину шага слева и справа можно управлять направлением движения робота CurveQuad. https://www.youtube.com/watch?v=RnSHG5F2Iek Для демонстрации возможности управления роботом с помощью обратной связи, инженеры установили на углах корпуса четыре фотоэлемента. Алгоритм сравнивает сигналы, полученные от сенсоров с левой и правой сторон, и в зависимости от того, с какой стороны сигнал больше, выбирает походку, которая поворачивает робота в этом направлении. В результате в каком бы положении робот ни находился изначально, он разворачивается на источник света и начинает двигаться в его направлении. В своей следующей работе инженеры планируют сосредоточиться на взаимодействии между несколькими роботами CurveQuad. Для этого они планируют добавить им возможность общаться друг с другом, чтобы роботы могли выполнять задачи сообща, например, вместе обследовать окружающую территорию. А вот другому микророботу, созданному группой американских и китайских инженеров, для передвижения не нужны сервомоторы. Вперед он движется под действием колебаний встроенной в его корпус пьезоэлектрической пленки, а повороты совершает за счет изменения силы трения между поверхностью и электростатическими площадками на концах передних ног.