Электроадгезия повысила проворность робомуравья

Американские и китайские инженеры разработали прототип миниатюрного мягкого робота размером с насекомое из полимерных материалов, который за счет эффекта электростатического прилипания может передвигаться так же проворно как муравьи и тараканы. Робот движется вперед за счет колебания пьезоэлектрической пленки, которая входит в состав его тела, и совершает повороты за счет электростатических площадок на концах передних ног. Напряжение, подаваемое на ноги робомуравья, способно увеличивать силу трения между ступнями робота и поверхностью по которой он передвигается за счет возникающих при этом электростатических сил. При маневрировании в тестах робот смог достичь величины центростремительного ускорения 28 длин тела на секунду в квадрате, что приближается к значениям характерным для некоторых насекомых, например муравьев. Робот может двигаться по сложным траекториям через лабиринт, преодолевать небольшие препятствия, а также нести на себе полезную нагрузку, превышающую его собственный вес, например газовый сенсор для измерения концентрации опасных веществ в помещении. Статья опубликована в журнале Science Robotics. 

Инженеры давно работают над миниатюризацией роботов. Маленькие размеры дают очевидное преимущество при проникновении в недоступные для крупных устройств места. К примеру, миниатюрных роботов планируют использовать для внутренней диагностики оборудования, для разведки, и в операциях спасения для обследования разрушенных в результате землетрясений зданий в поисках выживших людей.

Во многих вариантах практического применения маленьких роботов важны такие характеристики как скорость и маневренность, которые позволяют быстро менять траекторию движения, обходить препятствия и взбираться в труднодоступные места. По этим параметрам многие существующие минироботы до сих пор уступают живым существам схожих размеров, например насекомым. Для роботов, сделанных из мягких материалов, эта проблема еще существеннее, так как недостаточная жесткость конструкции не позволяет точно управлять их движениями.

Американские и китайские инженеры под руководством Ливэй Линя (Liwei Lin) из Калифорнийского университета в Беркли разработали прототип мягкого миниатюрного робота, который при движении использует стратегию, аналогичную применяемой муравьями. Эти насекомые могут изменять силу трения между лапками и поверхностью за счет выделения секрета. Благодаря этому они передвигаются с большой скоростью и могут легко и быстро менять направление движения.

Робот состоит из плоского тела, задней ноги и двух передних ног с площадками в форме капель на концах ног, которыми робот опирается на поверхность. Тело робота имеет размеры 3 сантиметра в длину и 1.5 сантиметра в ширину и вес 65 миллиграмм. Оно состоит из трех полимерных слоев: тонкого слоя поливинилиденфторида (PVDF) толщиной 18 микрометров, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, с расположенными сверху и снизу тонкопленочными металлическими электродами (оба электрода из слоев титана и золота), скрепляющего силиконового слоя (25 микрометров) и слоя из полиэтилентерефталата (PET) для придания конструкции упругости. При подведении к электродам тела переменного напряжения с резонансной частотой пьезоэлектрическая пластина начинает растягиваться и сжиматься, изгибаясь периодически то в одном, то в противоположном направлении. В результате робот начинает движение вперед, отталкиваясь от поверхности, расположенными снизу ногами.

Ступни передних имеют форму капель для большего контакта с поверхностью и состоят из полиимида с нанесенным сверху металлическим электродом. Задняя нога — это кусок пленки из PET высотой 3,5 миллиметра, прикрепленный к хвостовой части робота. Подведение управляющих сигналов осуществляется через подключенные к электродам провода.

Прикладывая к передним ногам робота постоянное напряжение, можно изменять силу трения между ступнями робота и поверхностью за счет явления электроадгезии — взаимного притяжения за счет электростатических сил. Когда уровень постоянного напряжения на ногах равен нулю робомуравей движется прямолинейно. Асимметричное изменение уровня напряжения на левой и правой ноге приводит к несимметричности в распределении сил трения между ногами и поверхностью и тем самым становится возможным управлять направлением движения робота.

Тесты, проведенные на поверхности бумаги, металла (сплав InSnBi) и полимера поливинилхлорида, показали, что наибольший вклад в силу трения за счет электростатического прилипания (0,9 миллиньютонов при 250 вольтах постоянного напряжения на ногах) получается на металлической поверхности. При этом на поверхности полимера высокая сила трения даже при нулевом управляющем напряжении на ногах робота достигается за счет сильной шероховатости поверхности.

Разработчики провели ряд тестов на разных поверхностях, чтобы определить маневренность робота. В роли количественной меры было выбрано значение центростремительного ускорения, которое развивает робот при выполнении поворотов. Наибольшее значение удалось получить на металлической поверхности при 250 вольтах управляющего напряжения на ногах робота и амплитуде переменного напряжение 500 вольт. Оно составило 28 длин тела на секунду в квадрате, что выше чем у большинства ранее созданных мягких роботов и сравнимо с лучшими роботами из жестких материалов, а также с насекомыми, в том числе с муравьями. Наибольшая линейная скорость составила 7,5 длин тела в секунду. Кроме того, робот оказался достаточно прочным. Он смог выдержать вес человека (55 килограмм), наступившего на него, после чего продолжить движение, а также преодолевать небольшие препятствия высотой 2,4 миллиметра.

Кроме этого, разработчики представили автономную версию робота, не связанную проводами с источником напряжения. Схема устройства весом 240 миллиграммов аналогична проводной версии с небольшими изменениями, необходимыми для усиления конструкции. При этом робот несет на себе оборудование весом 1,66 граммов: аккумулятор емкостью 40 миллиампер-час, два фотоэлемента и плату с управляющей схемой. Дополнительный вес снизил скорость робота до примерно 1,2 длин тела в секунду. Аналоговая схема с подключенными к ней с противоположных сторон корпуса фотоэлементами позволяет управлять напряжением на ногах робота с помощью лазерного луча. Засветка лучом лазера фотоэлемента с одной стороны приводит к повороту робота в противоположном направлении. 

Инженеры также продемонстрировали и пример практического применения робота. Например, робот способен нести на себе в качестве полезной нагрузки газовый сенсор и проводить поиск источника утечки газа в помещении. В проведенном эксперименте робот с помощью газового сенсора искал источник этанола в лабиринте, делая остановки и измеряя его концентрацию в разных точках своего маршрута.

Инженеры из Бельгии и Франции тоже использовали лазерный луч для управления роботом. Их система ThermoBot позволяет управлять микророботами, плавающими на поверхности воды, с помощью инфракрасного лазера, а в основе лежит эффект возникновения термокапиллярных конвекционных потоков в воде из-за изменения величины поверхностного натяжения при нагреве.

Андрей Фокин