Роборуку оснастили мышцами из швейных ниток
Американские и китайские инженеры разработали программируемый мягкий манипулятор с актуаторами из скрученных и свернутых нейлоновых нитей. Инженеры усовершенствовали уже существующую технологию изготовления таких актуаторов и теперь для их работы не требуется предварительного натяжения. Кроме того, новые актуаторы дешевы в производстве, управляются с помощью электричества и могут применяться для приведения в движение автономных мягких роботов, говорится в работе, опубликованной в журнале Soft Robotics.
Мягкие роботы хорошо подходят для использования в сферах, где требуются гибкость и безопасность взаимодействия с окружением или человеком, например, в медицине. Для того, чтобы подобные роботы смогли полностью реализовать свои преимущества, им нужны соответствующие мягкие актуаторы — механизмы, отвечающие за движение роботов и их частей.
На сегодняшний день существует множество конструкций актуаторов, основанных на различных принципах, от традиционных электрических, пневматических и гидравлических до более экзотических вариантов, например, использующих для работы фазовый переход жидкость-газ.
Один из перспективных вариантов — скрученные и свернутые в спираль полимерные волокна, которые сокращаются при приложении к ним небольшого напряжения в несколько вольт. Искусственные мышцы, основанные на этом типе актуаторов дешевы в производстве, могут сокращаться на 49 процентов и поднимать вес почти в 100 раз превосходящий их собственный, а также «ощущать» свою деформацию через изменение электрических свойств волокон (например, сопротивление).
Один из недостатков ранее создававшихся актуаторов такого типа заключался в необходимости их предварительной нагрузки, так как свернутое в спираль волокно должно быть немного растянутым, чтобы сокращаться. Это существенно ограничивало их применимость для мягких роботов из-за возникающих при этом деформаций. Инженеры из Университета штата Колорадо и Харбинского института технологий под руководством Цзяньго Чжао (Jianguo Zhao) усовершенствовали технологию производства скрученных и свернутых актуаторов, исключив необходимость в их дополнительной нагрузке.
Актуатор изготавливается из проводящей нейлоновой швейной нити, покрытой серебром. Сначала нить скручивается с помощью шаговых электродвигателей, после чего оборачивается спиралью вокруг специальной оправки с медной спиральной направляющей. После отжига в течение нескольких часов в печи заготовка снимается с оправки и «тренируется» — к ней подключается источник тока и спираль проходит несколько циклов медленного нагрева и оcтывания. Это необходимо для снятия внутреннего напряжения в актуаторе. В результате шаг между витками спирали сохраняется даже без специального предварительного натяжения.
При подаче на актуатор напряжения за счет выделения джоулева тепла, температурных свойств полимерной нити и ее скрученной спиралевидной формы возникают силы, которые стремятся сжать спираль. Скорость сжатия, а также длина спирали актуатора в свободном и сжатом состояниях определяются температурой отжига и параметрами закрутки.
Для изучения свойств получившихся актуаторов инженеры провели ряд экспериментов и создали несколько робоустройств. Так, в одном из экспериментов актуатор поднял груз весом 10 граммов, при этом сократившись на 55 процентов от своей первоначальной длины. А пять таких актуаторов смогли сдвинуть кофейник весом два килограмма на 60 миллиметров. Максимальная сила, которую способно развить волокно до разрыва, оказалась равна 0,78 ньютона. При этом искусственные мышцы получились достаточно долговечными: за десять тысяч сокращений произошло незначительное изменение свободного хода актуатора, сократившись на два процента от исходного.
Инженеры продемонстрировали, что свернутые и скрученные актуаторы можно использовать для создания движущихся частей мягких роботов. Они разработали несколько подвижных модулей из силикона со встроенными спиралями актуаторов, которые могут контролируемо изгибаться, вращаться и сжиматься и объединили их в одну программируемую руку-манипулятор, способную захватывать, удерживать и перемещать предметы. В дальнейшем авторы работы планируют создать полноценного робота с использованием этой технологии.
Ранее гонконгские и американские инженеры разработали актуатор другого типа, в котором скручивание используется для управления давлением внутри заполненной текучей средой трубки.
Андрей Фокин
Он выдерживает температуру в 200 градусов Цельсия на протяжении 10 минут
Инженеры разработали термоустойчивый квадрокоптер FireDrone, он способен выдержать температуру в 200 градусов Цельсия в течение десяти минут. Это стало возможно благодаря тепловой защите на основе аэрогеля из полиимида, в которую заключены все внутренние компоненты дрона, включая электромоторы. Прототип оборудован инфракрасной камерой и термодатчиками, отслеживающими внутреннюю и внешнюю температуры. Благодаря устойчивости к высоким температурам дрон может пригодиться пожарным службам для разведки во время пожаров. Статья опубликована в журнале Advanced Intelligent Systems. Во время тушения пожаров пожарные службы отправляют на место происшествия разведывательные отряды, чтобы оценить ситуацию. Это создает риск для жизни и здоровья сотрудников спасательных служб, поэтому инженеры ищут возможность использовать для этой цели дроны, которые можно было бы отправить к источнику опасности вместо людей. С помощью беспилотников можно предварительно обследовать место происшествия и определить положение источников опасности, составить план местности и попытаться найти выживших. Однако для того, чтобы работать в непосредственной близости от источника высокой температуры, дрон должен обладать термозащитой. Инженеры под руководством Мирко Ковача (Mirko Kovač) из Имперского колледжа Лондона разработали прототип квадрокоптера FireDrone с термозащитой на основе армированного стеклотканью полиимидного аэрогеля — легкого пористого геля, который состоит в основном из воздушных полостей в полиимидной матрице с добавлением стекловолокна и силикатного аэрогеля. Благодаря этой защите дрон способен выдерживать температуру до 200 градусов Цельсия на протяжении десяти минут, при этом температура внутри корпуса не превышает 40 градусов. Помимо обычной RGB-камеры, дрон оборудован также камерой, снимающей в инфракрасном диапазоне для обнаружения источников высокой температуры, в условиях сильного задымления. Бортовая электроника один раз в секунду измеряет температуру снаружи и внутри термозащитного кожуха. Внутри дрона есть система охлаждения, которая построена на использовании эффекта понижения температуры при испарении сжиженного углекислого газа, который находится в картридже. При излишнем нагреве происходит открытие клапана и небольшие трубки распределяют газ для охлаждения внутренних компонентов. Термозащита дрона построена из плоских элементов толщиной 15 миллиметров, которые крепятся к раме из полиамида, образуя ромбокубооктаэдр. Корпус такой формы проще в изготовлении, чем корпус с изогнутыми элементами, при этом он имеет достаточный внутренний объем. Для отражения инфракрасного излучения от источников тепла снаружи дрон покрыт алюминиевой фольгой. Двигатели находятся в центральной части дрона, их вращение передается пропеллерам с помощью трансмиссии. Термозащиту разработчики испытали в тепловой камере, а также в тестовых полетах вблизи источников открытого пламени. Эти эксперименты подтвердили, что за счет тепловой изоляции с помощью аэрогеля и использования системы охлаждения удается значительно замедлить рост внутренней температуры. Кратковременно дрон способен выдержать температуру даже больше 1000 градусов, однако при этом начинают происходить структурные изменения корпуса за счет деформации аэрогеля. Для чистого полиимидного аэрогеля такая деформация наблюдается уже выше 200 градусов, но дополнительные армирующие добавки позволяют снизить этот эффект. Благодаря низкой теплопроводности дрон может использоваться также и при низких температурах. И если время работы дрона в условиях высокой температуры определяется размером резервуара с углекислым газом для системы охлаждения, то в случае полетов в условиях холода, внутренняя температура поддерживается на достаточном уровне за счет тепловыделения внутренних компонентов дрона. https://www.youtube.com/watch?v=pNp2T9Sx7xY Из множества существующих дронов, предназначенных для тушения пожаров с помощью воды или огнетушителей выделяется гексакоптер NIMBUS, разработанный специалистами из Университета Небраски-Линкольна. Вместо тушения уже разгоревшегося огня, он предназначен для создания новых контролируемых поджогов — одного из методов борьбы с пожарами. Для этого он оборудован системой сброса горящих шаров.