Китайцы создали робочервя для обследования субсантиметровых трубопроводов

Инженеры из Китая разработали миниатюрного робота для инспекции внутреннего состояния трубопроводов диаметром меньше сантиметра. Робот состоит из нескольких быстросменных цилиндрических модулей, приводимых в движение актуаторами на основе диэлектрических эластомеров. Робот смог развить максимальную скорость 1,19 длин тела в секунду внутри прямой горизонтальной трубы и 1,08 длин тела в секунду при движении вверх по вертикальной трубе. Кроме того, он может преодолевать участки с переменным диаметром, изгибы L- и S-формы, спиральные трубопроводы и нести видеокамеру в качестве полезной нагрузки, говорится в статье опубликованной в журнале Science Robotics.

Современные устройства и инженерные сооружения, такие, например, как авиационные двигатели или нефтеперерабатывающие заводы имеют большое количество трубопроводов в конструкции. Они требуют обслуживания в процессе эксплуатации и регулярного исследования их состояния изнутри и снаружи. При этом система трубопроводов может состоять из элементов разных диаметров с множеством изгибов и сочленений, поэтому поиск неисправностей в них или инспекция может занимать много времени и требовать существенных усилий.

Для облегчения подобных работ инженеры разрабатывают новые инструменты. Например, робот, созданный сотрудниками Калифорнийского университета в Сан-Диего, способен перемещаться внутри труб и позволяет исследовать их состояние изнутри. Он имеет раму из алюминиевых стрежней и приводится в движение электромоторами. Однако такой способ актуации робота накладывает ограничения на минимальные размеры устройства и не подходит для использования в трубопроводах небольшого диаметра. Гидравлика и пневматика также слабо подходят в этом случае, так как с удалением от источника давления эффективность актуаторов робота будет снижаться.

Инженеры из Университета Цинхуа в Пекине под руководством Хуэйчань Чжао (Huichan Zhao) выбрали на роль наиболее эффективного актуатора для миниатюрного робота, способного перемещаться по трубам с диаметром меньше сантиметра, диэлектрический эластомер — полимер, который деформируется при приложении к нему электрического напряжения. На основе этого актуатора, они создали модульного робота, который способен передвигаться, имитируя движения земляного червя.

Робот состоит из двух типов модулей: якорного, который способен упираться в стенки трубы с помощью нескольких, радиально расположенных на нем опор, и растягивающегося модуля, предназначенного для передвижения робота по трубе. Оба модуля представляют собой цилиндры диаметром менее 10 миллиметров, выполненные из многослойного диэлектрического полимера, который при приложении к нему электрического напряжения растягивается. 

На якорном модуле закреплена складывающаяся рама из многослойного полимерного материала с радиально расположенными выступами в центральной части цилиндра, которые играют роль опор. Пока к актуатору не приложено электрическое напряжение он стремится сжаться и под действием упругих сил опоры в центральной части модуля расходятся в радиальном направлении, упираясь в поверхность трубы. При подаче напряжения цилиндрический актуатор растягивается, рамка с опорами сжимается, отводя опоры от стенок трубы и позволяя модулю свободно перемещаться внутри ее диаметра. 

Оба типа модуля оборудованы магнитными креплениями, за счет которых их можно быстро соединить вместе. Сигналы с амплитудой до 1600 вольт подводятся к модулям по проводам от внешнего источника.

Инженеры предложили два типа роботов на основе представленных модулей. Первый, тип-A, весом 2,2 грамма и длинной 47 миллиметров состоит из одного растягивающегося центрального и двух якорных модулей на его концах. Он способен быстро перемещаться по прямолинейным горизонтальным и вертикальным участкам труб, а также преодолевать небольшие искривленные участки. Однако на изгибах с высокой кривизной эффективность движения этого варианта снижается из-за перекоса якорных модулей и опор, которыми робот «ухватывается» за поверхность. Второй вариант робота — тип-B — имеет в центральной части дополнительный центральный модуль, что делает его более гибким и позволяет легче преодолевать сильно изогнутые участки пути.

Движение робота по трубе происходит следующим образом. Сначала подается сигнал на передний якорный модуль. Он растягивается, что заставляет опоры отойти от стенок трубы и освобождает переднюю часть робота, позволяя ей продвинуться вперед за счет растяжения центрального модуля, на который подается синусоидальный сигнал. После этого, напряжение на переднем модуле отключается, в результате чего он сжимается и упирается в поверхность трубы, тем самым фиксируясь в новом положении. Сигнал поданный на хвостовой модуль заставляет опоры модуля отойти от поверхности трубы аналогично тому как это происходило на головном модуле и под действием упругих сил центрального актуатора хвост робота перемещается в направлении головного модуля. Этот процесс повторяется периодически, и робот подобно земляному червю движется по трубе в заданном направлении.

Изменяя частоту и фазу подаваемых на модули сигналов можно регулировать скорость и направление движения робота. Инженерам удалось добиться максимальной скорости 1.19 длин тел робота в секунду при частоте управляющих сигналов 110 Герц в прямолинейной горизонтальной трубе и 1.08 длин тела в секунду на 100 Герцах при движении вертикально вверх. Также разработчики продемонстрировали способность робота двигаться по трубам с изменяющимся диаметром и преодолевать сильноизогнутые участки. Например, робот оказался способен преодолевать L и S-образные искривления, а также перемещаться по спиралевидному трубопроводу.

Испытания проводились в трубах, изготовленных из стекла, нержавеющей стали и углепластика. В качестве полезной нагрузки на переднем модуле разместили видеокамеру с источником света, с помощью которой в реальном времени можно наблюдать за движением робота и обследовать состояние окружающей поверхности.

Организм человека тоже иногда требует обследования и «ремонта» изнутри. Например, методы эндоваскулярной хирургии позволяют хирургам добраться до тромбов и аневризм по кровеносным сосудам, используя для этого один небольшой прокол, через который вводится необходимый инструмент. Ранее мы рассказывали об инженерах из MIT, которые разработали систему магнитного управления для проведения эндоваскулярных операций. С помощью нее можно с высокой точностью дистанционно управлять хирургическими инструментами внутри кровеносного сосуда с низкой вероятностью случайных повреждений.

Андрей Фокин