Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Роборуку оснастили мышцами из швейных ниток

Jiefeng Sun et al. / Soft Robotics, 2020

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.