Скорость и направление движения контролировали с помощью температуры
Американские исследователи создали ползающего робота на основе гидрогеля, способного к направленному контролируемому движению. Он передвигается за счет контактных сил — похожим образом ползают дождевые черви. Ученые смогли менять направление и скорость его движения, манипулируя компонентами конструкции, благодаря свойствам гидрогеля реагировать на тепловое воздействие. Робот состоит из двухслойных полимеров, соединенных линкером, не требуют проводки, электрики или источников питания, и может быть полезен в биомедицине и микрофлюидике. Статья опубликована в Science Robotics.
Пневматические, гидравлические и электрические приводы давно используются в мягкой робототехнике для приведения механизмов в движение. Например, ученые оснастили пневматическими мембранными актуаторами роборуку и использовали гидравлический привод для создания подвижного прозрачного робота, а корейские инженеры сделали мягкий актуатор, который основан на электроосмосе. В то же время мягкие роботы прочно заняли свое место в биомедицине. Например, в хирургии и эндоскопии они могут действовать внутри человеческого тела, адресно доставляя лекарства, а в сфере реабилитации и заживления ран — не только непосредственно контактировать с живыми тканями, но и служить заменой органов и мышц. Однако для применения в сфере, так тесно связанной с человеком, либо там, где пространства для их деятельности сильно ограничены, необходимы роботы, не требующие проводки, электрики или источников питания. В связи с этим наибольшей сложностью остается способ актуации, то есть метод, с помощью которого робот или его отдельные части приводятся в движение.
Разработчики мягких роботов часто используют гидрогели — податливые полимерные материалы, поглощающие воду. Они могут реагировать на стимулы окружающей среды, биосовместимы и способны адаптироваться к сложным и динамичным средам — все это делает их подходящими для физического взаимодействия с хрупкими объектами или живыми организмами. Для создания таких технологий исследователи вдохновляются биологическими системами, имитируя их двигательные системы. Они заставили роботов ползать в ответ на стимуляцию светом и разработали гидрогелевых гусениц, которые реагировали на изменения магнитного поля. Однако для их движения требовалась подложка, в первом случае — из поливинилхлорида, во втором — из узорчатого стекла. Это условие сильно ограничивает их применимость, например, во взаимодействии человек-робот.
Команда исследователей из Университета Джона Хопкинса под руководством Айшварии Пантулы (Aishwarya Pantula) предложила решить эту проблему за счет конструкции самого робота. Они вдохновились движением дождевых червей и придумали систему из двух бислоев разной длины и линкера-прослойки между ними. Каждый элемент робота состоит из гидрогеля и может набухать и сжиматься под воздействием внешних факторов. Такая конструкция позволила систематически и асинхронно менять его морфологию, чтобы нарушить симметрию контактных сил и таким образом заставить его двигаться по плоской подложке без какого-либо узора.
Для бислоев и линкера ученые выбрали два гидрогеля с разными свойствами: реагирующий на температуру активный поли(N-изопропилакриламид) (pNIPAM) и пассивный полиакриламидный (pAAM). Фазовые переходы в них происходят при низкой критической температуре, близкой к физиологическим условиям человека, а набухают и сжимаются они в диапазоне температур от 30 до 60 градусов. При этом они создали два бислоя с наибольшей разницей кривизны при деформации — чтобы движение было более заметным. Составляющие части ученые распечатали на 3D-принтере. Получившегося робота расположили на силиконовой подложке, поместили в воду и подвергли циклу охлаждение-нагрев.
Во время полуцикла охлаждения ученые наблюдали изгиб обоих сегментов, вызванный набуханием гидрогеля. В то же время линкер под воздействием температуры провисал и касался поверхности, как бы становясь якорем, и притягивал сегменты к себе. При этом наружные концы бислоев тоже касались поверхности, поэтому робот выгибался. Когда охлаждение сменялось нагреванием, сегменты робота становились плоским, а затем — вогнутыми, линкер выпрямлялся и возвращался в исходное состояние, а два бислоя — наоборот становились вогнутыми. Из-за разницы их размеров и кривизны, якорем становился больший бислой, а меньший бислой и линкер тянулись к нему. В результате робот перемещался вдоль поверхности. Исследователи провели пять таких термических циклов и заметили, что он последовательно полз в направлении более крупного бислоя, перемещаясь примерно на 4,4% своей длины за один цикл. Всего он сместился на 12 миллиметров.
Затем ученые предположили, что жесткость линкера будет влиять на «походку» робота. Они напечатали такого же двухсегментного робота с одинаковыми размерами, но заменили гибкий линкер pNIPAM более жестким линкером pAAM. В течение полуцикла охлаждения жесткий линкер сохранял плоскую форму, оставался подвешенным между бислоями и переставал служить якорем. В результате увеличилась асимметрия чистой контактной силы между большим и маленьким бислоями, а однонаправленное смещение увеличилось с 4,4 до 5,6% длины тела за цикл.
Затем исследователи сделали линкер похожим на аккордеон, чередуя полоски pNIPAM и pAAM, а количество бислоев увеличили до четырех. В течение полуцикла охлаждения такой линкер удлинялся и почти не касался поверхности. Поскольку площадь контакта была больше на стороне двух больших бислоев, робот постоянно двигался в их направлении, и сместился на 12,2% длины тела за цикл.
Эксперимент подтвердил, что за счет изменения морфологии робота можно влиять на направление и скорость его движения. Однако оставался очень медленным темп движения — один цикл длился 6 часов. По словам исследователей, при необходимости таких гелиевых роботов также можно ускорить за счет изменения диффузионной длины бислоев или путем включения в разработку нелинейных химических или механических процессов. Также они отмечают, что роботы могут функционировать и автономно при колебаниях температуры. В будущем же — режимы нагрева или охлаждения можно интегрировать в тело робота, чтобы облегчить программируемую или автономную работу в небольших водных пространствах вне зависимости от температуры окружающей среды.
С помощью гидрогелей ученые имитируют не только механические, но и биологические процессы живых организмов. Например, финские исследователи разработали систему из двух расположенных рядом гидрогелей, которая способна к саморегуляции и поддерживает свою температуру в узком диапазоне значений несмотря на меняющиеся внешние условия.
Скорлупа семян этого дерева — самый устойчивый к растрескиванию природный материал
Скорлупа семян гинкго лучше всех природных материалов сопротивляется появлению трещин. Китайские ученые выяснили, что эту сопротивляемость скорлупе обеспечивает спиралевидная микроструктура стенок склереид, мертвых клеток, из которых построена скорлупа. Такое строение позволяет эффективно перераспределяет механическое напряжение между соседними склереидами. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.Образование и развитие трещины в материале зависит от многих параметров, в том числе от микроструктуры материала. Например, если в нем есть вторая более мягкая и вязкая фаза (матрица), это тормозит рост трещин, снижая механическое напряжение. А вот в мелкозернистых материалах без матрицы трещина наоборот может дробиться и развиваться, наталкиваясь на каждое новое зерно.