Оригами и магнитные пластины позволили создать дистанционно управляемое робощупальце

Shuai Wu et al. / PNAS, 2021

Американские инженеры разработали робощупальце, построенное на основе оригами-узоров и управляемое без проводов с помощью магнитного поля. Каждый его сегмент состоит из намагниченной определенным образом пластины и оригами-кольца, которое может расширяться и изгибаться. Варьируя направление намагниченности между сегментами, авторы смогли добиться сложных движений, например изгиба в спираль с вращением. Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Классические роботизированные манипуляторы — это комбинация из нескольких сегментов и нескольких актуаторов, таких как электромоторы или гидравлические приводы. Они способны самостоятельно управлять своим движением, причем, как правило, имеют большую силу. На практике почти всегда применяют манипуляторы такого типа, но в исследовательских работах инженеры часто используют другой подход, при котором манипулятор представляет собой пассивную конструкцию, а приводят ее в движение внешние стимулы, такие как магнитное поле или нагревание. Чаще всего этот подход применяют в разработке совсем небольших медицинских приборов и роботов, работающих внутри тела, поскольку пока для них нет достаточно миниатюрных и при этом эффективных компонентов. Например, есть магнитные микророботы, умеющие захватывать объекты и перемещать в нужную точку без какой-либо собственной электроники.

В относительно больших роботах и манипуляторах управление движением внешними стимулами пытаются использовать гораздо реже. Одну из таких разработок представила команда инженеров из Университета штата Огайо и Технологического института Джорджии под руководством Жуйкэ Чжао (Ruike Zhao). Помимо использования магнитного управления манипулятор примечателен и тем, что состоит из складных сегментов, выполненных в технике оригами.

Авторы использовали определенный узор оригами, который, кстати, не первый раз используется в робототехнике — паттерн Креслинг, который был впервые описан Бирутой Креслинг (Biruta Kresling). Как правило, его применяют в цилиндрической конструкции, где цилиндр состоит из двух чередующихся треугольников, расположенных под углом к оси цилиндра. Главная особенность паттерна, из-за которой его все чаще используют инженеры, заключается в том, что он связывает между собой вращательное и поступательное движение:


Созданный авторами новой работы манипулятор состоит из сегментов, которые в свою очередь образованы паттерном Креслинг. Сам цилиндрический паттерн собран из бумаги или полипропилена (инженеры собрали прототипы из разных материалов). С торцов он закрыт пластиной из силиконового эластомера с магнитными включениями из сплава неодима, железа и бора.

Каждую пластину авторы намагничивали отдельно, задавая определенное направление намагниченности. Благодаря этому они смогли использовать для управления внешнее магнитное поле: при его создании пластины стремятся ориентироваться так, чтобы их собственная намагниченности совпадала с направлением поля.

Инженеры создали прототипы робощупальца с разным количеством сегментов (до 18). В зависимости от количества сегментов авторы использовали сегменты разного размера с высотой в разложенном состоянии от 7,8 до 18,6 миллиметра. Комбинируя в одном манипуляторы пластины с разной намагниченностью, а также управляя характеристиками внешнего поля, инженеры добились различного поведения прототипов, а также управления движением отдельных сегментов. С помощью одного из них они даже смогли захватить небольшой предмет, обхватив его вокруг.

Оригами-структуры такого типа, который использован в этой работе, проявляют и другие необычные свойства помимо преобразования вращательного движения в поступательное. Например, в 2019 году ученые выяснили, что при ударе о край такой структуры сжимающая деформация почти сразу гасится в ее начале, а затем превращается в сильное растяжение, распространяющееся вглубь.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.