Инженеры создали полностью мягкий пневматический кольцевой генератор

Американские и австралийские инженеры разработали полностью мягкий кольцевой генератор, который может помочь в создании полностью мягких роботов, применяющих циклические движения. Каждый его элемент представляет клапан, давление в котором противоположно (низкое или высокое) давлению на предыдущем клапане, благодаря чему в генераторе образуется кольцевая реакция из циклически повышающегося и понижающегося давления, рассказывают авторы статьи в Science Robotics.

В робототехнике существует область, в рамках которой инженеры создают мягких роботов, способных безопасно взаимодействовать с человеком и выдерживать даже сильные деформации. Несмотря на прогресс в этой области, в почти всех разработках инженерам все же приходится использовать жесткие материалы для части компонентов, в том числе для управляющей электроники и актуаторов. В 2016 году группой инженеров с участием Джорджа Вайтсайдса (George Whitesides) из Гарвардского университета был создан первый полностью мягкий автономный робот. В качестве источника энергии и движения инженеры использовали пероксид водорода, распадающийся под действием катализатора на воду и кислород. Вместо электроники авторы использовали микрофлюидную логическую схему, позволившую попеременно подавать образующийся газ в разные конечности робота.

Этот робот был первой практической демонстрации возможности создания полностью мягкого автономного робота, он имел существенные недостатки, такие как крайне низкая скорость работы, поэтому группа Вайтсайдса продолжила разработку более совершенных полностью мягких устройств. Например, в 2018 году они создали полностью мягкий клапан, позволяющий переключаться между двумя источниками газа. В своей новой работе инженеры использовали этот клапан для создания пневматического кольцевого генератора, создающего циклическое движение и изменение давления.

Клапан и все его компоненты состоят из эластомера — инженеры использовали три вида полупрозрачных и непрозрачных эластомера с разными механическими свойствами. Он представляет собой цилиндр, закрытый с обеих сторон и разделенный на две отдельных камеры перегородкой, диаметр которой немного превышает внутренний диаметр клапана, поэтому она может стабильно находиться только в одном из двух выгнутых состояний. Через каждую камеру насквозь проходит эластомерная трубка, выпирающая и упирающаяся в перегородку. При пропускании газа через трубку она распрямляется и заставляет перегородку выгнуться в другое положение. При этом трубка во второй камере перекрывается выгнутой перегородкой. Кроме того, из каждой камеры есть по одному выходу.

Инженеры объединили три таких клапана в кольцевой генератор. Они подключены к общему постоянному давлению, а соединены между собой последовательным образом:

Благодаря этому при включении давления в первую секунду все три клапана надуваются, а затем в системе самопроизвольно формируется нестабильность и запускается кольцевая реакция с попеременным надуванием и сдуванием камер в соседних клапанах.

Это свойство кольцевого генератора инженеры применили в нескольких прототипах. К примеру, они создали устройство, перекатывающее небольшой шар по кругу. Оно состоит из чередующихся камер, подключенных к выходной трубке одного из клапанов. Также они создали робота, перекатывающегося вперед за счет синхронного надувания воздушного шарика сзади и сдувания шарика спереди. Кроме того, они собрали аппарат для сортировки шариков по диаметру. Он состоит из генератора с установленным сверху сосудом наподобие чашки Петри с вырезом, диаметр которого находится между диаметрами двух типов шариков. За счет постоянного поворота шарики перемешиваются и небольшие просачиваются через отверстие. Наконец, инженеры создали механотерапевтический рукав для ноги, попеременно давящий на ее различные области.

В прошлом году другая группа американских исследователей создала мягкого робота, способного практически бесшумно плавать, изгибаясь подобно угрю. Особенность робота заключается в том, что он двигается благодаря расширению полимера под действием напряжения, а одним из электродов в роботе выступает окружающая его вода.

Григорий Копиев