Гидрогелевого робота научили ползать подобно дождевому червю

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.