Китайские ученые предложили простую и универсальную конструкцию для захвата объектов: брусок из полимера с памятью формы. Его необходимо нагреть до размягчения и вдавить в него нужный предмет, затем охладить в таком виде до затвердевания, перенести на нужное место, а после этого снова нагреть, из-за чего полимер вернет свою исходную форму и выдавит объект наружу. Таким способом можно перемещать как относительно большие предметы, так и микроскопические с размером в десятки микрометров, рассказывают авторы статьи в Science Advances.
Захват объектов — это не самая известная область робототехники, но одна из наиболее развитых, потому что наработки из нее можно применять повсеместно. Например, захват объектов необходим на складских сортировочных лентах или на автомобильных заводах для перемещения больших элементов автомобиля. Кроме того, манипуляции с объектами проводят и роботы, взаимодействующие с человеком, к примеру, ухаживающие за людьми с ограниченными возможностями.
Во время захвата предмета устройство сначала должно оценить размер, форму и расстояние до объекта, затем определить наилучшее место для захвата, а во время сдавливания следить за уровнем усилия, чтобы не повредить объект, а также за его деформацией. Это требует разработки сложных и требовательных к вычислительным ресурсам алгоритмов, а также сложного оборудования, из-за чего стоимость подобных устройств до сих пор довольно высока.
Ученые из Чжэцзянского университета под руководством Цзичжоу Суна (Jizhou Song) предложили поменять сам принцип захвата предметов со сжатия или присасывания на внедрение в полимер с изменяемыми свойствами. В качестве материала исследователи выбрали эпоксидно-аминный полимер с эффектом памятью формы.
Они выбрали равное соотношение между прекурсорами, потому что это обеспечивает наименьшую температуру стеклования, составляющую 45 градусов Цельсия. Ниже этой температуры полимер находится в стеклообразном состоянии, а при нагревании выше нее становится эластичным и мягким, благодаря чему в него можно вдавливать другие объекты. Выбранный учеными материал удобен тем, что его свойства меняются в больших пределах: модуль упругости падает с 2,53 гигапаскаля при 25 градусах Цельсия до 2,5 мегапаскаля при 60 градусах.
Испытания на бруске полимера размером 5,5 на 5,5 на 1,5 сантиметра показали, что сила удержания металлических объектов, например, шариков, винтов и кубов размером в несколько сантиметров составляет десятки ньютонов (зависит от формы и других параметров предмета). Отдельный эксперимент, в котором объекты вытягивали из захвата с разной скоростью, показал, что за удержание предметов отвечает прежде всего два фактора: трение, а также разница давлений между атмосферой и микропустотами между объектом и полимером. Адгезивная составляющая силы удержания имеет на три порядка меньшую величину.
Кроме большого манипулятора для больших объектов ученые также создали из того же материала микрозахват. Он был создан с помощью ионного травления и заливки в форму. Размер наконечника захвата составляет 320 микрометров. С его помощью они смогли переместить отдельные частицы железа и оксида кремния с диаметром около десяти микрометров.
Существуют полимеры, в которых эффект памяти формы проявляется не под действием тепла, а при изменении магнитного поля. В прошлом году швейцарские ученые создали полимер с включениями капель магнетореологической жидкости, меняющей вязкость при изменении величины и направления поля. Это позволяет деформировать материал в магнитном поле, а потом возвращать исходную форму, убрав источник поля.
Григорий Копиев