Разматываемая оболочка и струя воздуха позволили робочервю проползти сквозь толщу песка
Американские инженеры разработали робочервя, способного ползать в толще песка. Он испытывает сниженное сопротивление песка благодаря двум особенностям: он выдувает воздух перед собой, заставляя песок двигаться, а также разматывает оболочку в передней части, не двигаясь по остальной длине. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Science Robotics.
Песок представляет собой сыпучую среду и по поведению во многом похож на жидкость. В отличие от воздуха и безвоздушного пространства, при движении по воде и сыпучим средам объекты испытывают большое сопротивление. Разработчики водных аппаратов научились обходить его хитрыми способами, например, создавая вокруг носа подводного аппарата кавитационную полость или поднимая катера над водой при помощи подводных крыльев.
Способы эффективного движения в песке и подобных средах гораздо хуже проработаны инженерами, однако они встречаются у некоторых животных. К примеру, осьминоги Octopus kaurna умеют зарываться в дно, размягчая его при помощи струи воды, а у ящериц Scincus scincus форма головы асимметрична по вертикали, что позволяет компенсировать неравномерное давление в песке (поскольку литостатическое давление песка увеличивается вместе с глубиной, при движении в нем объекта давление на нижнюю и верхнюю стороны отличается, что приводит к образованию подъемной силы).
Николас Наклерио (Nicholas Naclerio) и его коллеги из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Технологического института Джорджии собрали примеры адаптации животных к движению в песке и применили их в своем роботе. Также отчасти они воспользовались конструкцией другого робота, в разработке которого принимал участие руководитель этой группы Эллиот Хоукс (Elliot Hawkes). Вместо обычного подхода, при котором робот передвигается в пространстве, авторы той работы предложили увеличивать его в длину в нужную сторону, разматывая сложенные фрагменты.
Новый робот использует похожий принцип движения. Он представляет собой свернутую трубу из двусхлойной герметичной ткани. В основании в трубу подается воздух, который заставляет ее разворачиваться и удлиняться. Главное преимущество такой конструкции заключается в том, что уже развернутая часть остается на месте и не двигается вперед, а значит не испытывает силу трения о песок, мешающую движению.
Тканевая труба обернута вокруг сердцевины, в которой есть две тонкие трубки для подачи воздуха. Воздух из них выходит под давлением, что позволяет превращать стоячий песок в подвижную взвесь и многократно снижать лобовое сопротивление. На конце сердцевины воздух из трубок выходит в двух направлениях: прямо и вниз под углом 90 градусов. Варьируя соотношение тяги в трубках, робот может менять результирующее направление потока воздуха. Также на конце робота есть пластина, закрепленная под углом и компенсирующая подъемную силу. Наконец, внутри тканевой трубы есть боковые тросы, натяжение которых заставляет ее конец поворачивать. Используя все эти способы, робот может полностью управлять своим движением по вертикали и горизонтали.
Разработчики продемонстрировали возможности робота. В ролике можно увидеть, как робот заползает в песок, поворачивает в разные стороны и даже подныривает под строительные блоки, огибая их снизу.
Исследователи занимаются не только проблемой перемещения внутри песка, но и по нему. Американские физики разобрались в поведении песка во время отталкивания от него и нашли способ увеличить высоту прыжка на 20 процентов.
Григорий Копиев
Его чешуя играет роль нагревательного элемента
Инженеры разработали и испытали прототип миниатюрного робота для биомедицинских целей, который управляется внешним магнитным полем и может выступать как нагревательный элемент в медицинских процедурах. Конструкция робота состоит из гибкого полимера с магнитными частицами и верхнего слоя с чешуей из алюминиевых пластин. Робот может адресно доставлять лекарства, останавливать внутренние кровотечения и помогать удалять опухоли. Статья опубликована в журнале Nature Communications. В последние годы активно развивается направление медицины, связанное с разработкой инструментов для малоинвазивной хирургии и адресной доставки лекарств внутри организма. Для этих задач отлично подходят миниатюрные роботы, управление которыми происходит с помощью внешнего магнитного поля. Оно свободно проникает через биологические ткани и позволяет управлять магнитными объектами в теле пациента с высокой точностью. Кроме контроля за положением инструмента в пространстве, магнитное поле может также использоваться и для его дистанционного нагрева, например, чтобы провести процедуры коагуляции крови для остановки внутренних кровотечений или для уничтожения опухолей. Однако, для этого робот должен иметь проводящие металлические элементы в конструкции, которые способны выделять джоулево тепло при воздействии высокочастотного переменного магнитного поля. Прототип такого робота разработали инженеры под руководством Метина Ситти (Metin Sitti) из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка. Робот имеет прямоугольную форму 10 на 20 миллиметров толщиной 0,2 миллиметра. Он состоит из мягкого полимерного слоя из полидиметилсилоксана с включенными в него магнитными частицами и слоя алюминиевой чешуи толщиной 50 микрометров, которая состоит из вырезанных с помощью лазера пластин, закрепленных на полимерном слое таким образом, что каждый следующий элемент частично перекрывает предыдущий. Размещение металлических элементов, по словам авторов, напоминает расположение пластин, которыми покрыто тело панголина. Такая конструкция позволяет сохранить деформируемость, присущую мягким роботам, и одновременно увеличивает размер дистанционно нагреваемой области. Нагрев пластин свыше 70 градусов Цельсия происходит с помощью переменного электромагнитного поля частотой 344 килогерц за время менее 30 секунд. Помимо медицинского назначения, повышение температуры можно использовать для изменения свойств робота. Например, при нагреве свыше температуры Кюри можно перевести магнитные частицы, заключенные в полимерную матрицу в парамагнитное состояние, и, тем самым, отключить робота. Он больше не будет реагировать на управляющее магнитное поле, которое в это время будет воздействовать, например, на второго робота. Также на лету можно изменять профиль намагниченности — распределение направлений векторов намагниченности частиц вдоль полимерной пластины. С помощью этого можно менять характер движений робота. Например, при гармоническом профиле намагниченности робот во внешнем магнитном поле будет изгибаться, сворачиваясь в трубку. Благодаря этому он может захватывать и перемещать внутри себя объекты. Разработчики провели несколько опытов, используя желудок и кишечник свиньи в качестве модельных объектов, чтобы продемонстрировать биомедицинские возможности нового робота. Например, они показали остановку внутреннего кровотечения из открытой раны с помощью коагуляции крови возле нее нагревом. Другая способность робота заключается в доставке нескольких объектов в разные пункты назначения. Для этого пластины металлического слоя, к которым с помощью пчелиного воска с температурой плавления около 62 градусов Цельсия прикрепляют объекты, должны иметь разную толщину. Тогда они будут нагреваться до температуры плавления воска с разной скоростью, позволяя сбрасывать переносимые грузы отдельно в нужных точках. https://www.youtube.com/watch?v=nczejRLuliU Ранее мы рассказывали о разработанной инженерами MIT системе для дистанционного проведения хирургических эндоваскулярных операций. В ней также используется внешнее магнитное поле для управления магнитным хирургическим инструментом внутри кровеносных сосудов.