Прозрачного мягкого робота научили бесшумно плавать под водой
C. Christianson et al./ Science Robotics, 2018
Американские ученые создали прототип прозрачного мягкого подводного робота, который может двигаться в воде, извиваясь всем корпусом подобно угрю. Жидкостные электроды позволяют ему практически бесшумно плыть со скоростью до 2 миллиметров в секунду, пишут ученые в Science Robotics.
Для выполнения механических операций или перемещения а пространстве мягкие роботы обычно используют актуаторы, которые приводятся в действие с помощью электрических сигналов. Если такой робот разрабатывается для работы под водой, то схемы электропитания должны быть хорошо гидроизолированы. Чтобы избавиться от риска замыкания ученые предлагают использовать вместо электрических компонентов управления микрофлюидные — из них можно составить логические схемы, которые могут работать, например, за счет химических реакций с образованием газообразных продуктов.
Инженеры под руководством Майкла Толли (Michael Tolley) из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили при проектировании подводных роботов не отказываться полностью от электрических компонентов, а просто использовать окружающую робота жидкую среду в качестве одного из электродов. С использованием такого подхода разработчики построили прототип прозрачного мягкого робота, который двигается под водой за счет волнообразных движений «тела». Образцом для робота послужили лептоцефалы — особая стадия личиночного развития угрей и некоторых родственных ему видов. Для лептоцефалов характерно лентообразное и полностью прозрачное тело.
Лептоцефал морского угря-конгера
Wikimedia commons
Основными компонентами такого робота стали диэлектрические упругие актуаторы, каждый из которых сделан из трех прозрачных полиакрилатных слоев. Между собой слои в актуаторе разделены плоскими камерами, заполненными жидкостью и связанными с внешним источником тока. При подаче напряжения жидкость в камере выполняет роль внутреннего электрода, а вторым, внешним, электродом становится окружающая жидкость. На находящийся между двумя жидкостными электродами слой полиакрилата таким образом подается разность потенциалов, в результате чего этот слой расширяется и актуатор изгибается. Подавая нужное напряжение на один из двух каналов, можно заставить актуатор изгибаться в разные стороны.
Робот состоит из трех секций, каждая из которых может изгибаться в одном из двух направлений. Общие размеры робота составили 22 сантиметра в длину, 5 сантиметров в ширину и 1,5 миллиметра в толщину. Авторы работы попеременно активировали некоторые из секций, подавая на них напряжение в 7,5 киловольта, и заставили таким образом робота извиваться в воде и перемещаться вперед. Максимальная скорость поступательного движения составила 1,9 миллиметра в секунду.
Принцип работы мягкого диэлектрического актуатора с жидкостными электродами. При замыкании цепи на слой полимерного диэлектрика подается напряжение, в результате чего он расширяется, заставляя актуатор изгибаться
C. Christianson et al./ Science Robotics, 2018
Схема трехсекционного мягкого робота, погруженного в резервуар с водой (на рисунке A представлен вид сверху, на рисунке B — вид сбоку). Попеременно активируя один из шести актуаторов, можно заставить робота изгибаться и выпрямляться, что приводит к его поступательному движению в воде
C. Christianson et al./ Science Robotics, 2018
Собранный инженерами робот пропускает 94 процента видимого света и практически невидим для человеческого глаза. Кроме этого, движение робота под водой оказалось практически бесшумным: максимальная громкость работающих актуаторов во всех экспериментах не превосходила 0,3 децибела.
Еще одним достоинством предложенной схемы ученые называют возможность использовать для подкрашивания проводящей жидкости флуоресцентный краситель. Некоторые морские животные, включая угрей, используют флуоресценцию в качестве способа коммуникации, предупреждая друг друга об опасности или привлекая внимание. В случае искусственных подводных роботов флуоресцентный краситель может использоваться для визуализации или обнаружения робота, в видимом свете практически неразличимого.
Фотографии мягкого робота, камеры актуаторов которого заполнены жидкостью с флуоресцентным красителем. Масштабная линейка — 5 сантиметров. В левом верхнем углу приведены спектры флуоресценции сразу после заполнения камер жидкостью и через двое суток после этого
C. Christianson et al./ Science Robotics, 2018
Авторы исследования отмечают, что в ближайших планах — разработать для нейтрально плавучего робота систему регуляции глубины плавания, а также сделать изгибы его тела слегка асимметричными для повышения его скорости. По словам ученых, в будущем такого робота можно использовать, например, для исследования морских экосистем.
Разработанный в данном исследовании робот — далеко не первый пример мягких прозрачных подводных роботов. Например, в прошлом году ученые построили из гидрогеля прототип мягкого робота с гидравлическими актуаторами, которые могут сжаться за 4 секунды. Этого оказалось достаточно, например, для того, чтобы поймать небольшую рыбу.
Александр Дубов
