Инфракрасный свет заставил мягкого робота непрерывно прыгать

Американские инженеры создали двухсантиметрового мягкого робота, который под действием инфракрасного света может непрерывно прыгать по пересеченной местности и плавать. Робот представляет собой свернутый в кольцо стержень из жидкокристаллического эластомера, концы которого скреплены и образуют V-образный хвост. Под действием инфракрасного света материал нагревается и скручивается. Когда деформация достигает критического значения, хвост бьет по поверхности, подбрасывая робота в воздух. В полете кольцо возвращается в исходную форму, и цикл повторяется без внешнего вмешательства, достаточно лишь освещения. Подробности о принципе работы и результаты испытаний опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Обычно приводы прыгающих роботов постепенно накапливают упругую энергию за счет изгиба, растяжения или скручивания элементов конструкции, а затем резко высвобождают ее, создавая мощный импульс для отрыва от поверхности. В мягкой робототехнике большинство таких прыгунов после срабатывания необходимо вручную возвращать в исходное состояние либо управлять ими с помощью меняющегося во времени внешнего воздействия — например, периодически включать или выключать источник тепла, под действием которого деформируется эластомерная пружина.

В первом случае робот оказывается по сути одноразовым, во втором требуется сложная система управления. Хотя мягкие устройства, способные многократно прыгать при постоянном, не меняющемся во времени воздействии, без ручного взведения существуют, количество прыжков, которые они способны сохранить, до последнего времени было ограниченным. Например, полимерные полоски и шайбы, подпрыгивающие по мере того, как испаряется пропитавший их растворитель, прекращали движение, как только устройство высыхало.

Инженеры под руководством Цзе Иня (Jie Yin) из Университета Северной Каролины предложили свой вариант решения проблемы. Они разработали мягкого робота в виде свернутого в кольцо стержня из термочувствительного жидкокристаллического эластомера. Концы стержня вставлены в изогнутую алюминиевую трубку и образуют жесткий хвост в форме буквы V. Длина кольца составляет около двух сантиметров, а его толщина (высота) — около миллиметра. При освещении инфракрасным светом полимер нагревается и из-за градиента температуры начинает скручиваться, накапливая энергию деформации. Одновременно с этим жесткий хвост, сопротивляясь закручиванию, постепенно отклоняется из плоскости кольца, поворачиваясь к его центру.

Когда деформация достигает критического значения, хвост с алюминиевым концом примерно за 30 миллисекунд резко сгибается внутрь кольца и бьет по земле, подбрасывая робота в воздух. Оторвавшись от земли, кольцо быстро раскручивается и восстанавливает свою форму еще до приземления. Процесс образует замкнутый цикл, который повторяется, пока горит свет. На суше один цикл занимает около 20 секунд, а всего в экспериментах робот совершил более 500 прыжков без какого-либо вмешательства.

Регулируя угол при вершине хвоста и интенсивность света, разработчики смогли переключать робота между разными способами передвижения. При острых углах, от 30 до 80 градусов, кольцо подпрыгивает вертикально. Максимальной высоты прыжка робот достигает при угле около 60 градусов: в этом случае кольцо подпрыгивает примерно на восемь сантиметров вверх — это в 80 раз больше его высоты. При углах от 80 до 110 градусов робот начинает прыгает вверх и вперед, а почти круглые кольца с углом больше 110 градусов передвигаются ползком. Чтобы робот не переворачивался в полете при прыжках вперед, инженеры закрепили на передней части кольца небольшой груз из фольги, смещающий центр масс. Самые длинные устойчивые прыжки — около 7,5 сантиметра — получились при угле 80 градусов и грузе, составляющем четверть массы робота.

Робот может передвигаться по естественному рельефу, включая траву, мокрый песок, гравий и мульчу. С более тяжелым противовесом он может, не переворачиваясь, прыгать вверх по склону под углом до 30 градусов. Кроме того, кольцо способно перепрыгивать через невысокие барьеры, и продолжать прыжки после столкновении с препятствием. Переворот при этом не приводит к остановке: благодаря зеркальной симметрии перевернутый робот работает точно так же, как в исходном положении.

Кроме этого, робот может плавать, но после доработки. Для этого инженеры покрыли эластомер водоотталкивающим слоем, добавили в материал оксид графена для лучшего поглощения света и удлинили хвост. На воде робот закручивается так же, как и на суше, а хвост работает как весло, толкая кольцо вперед. Достигая берега, устройство может выбраться за сушу. Для этого необходимо, чтобы хвост смог упереться в подводный склон, после чего робот выпрыгивает из воды, преодолевая барьер поверхностного натяжения. Пока что устройство может двигаться только в пределах пятна света от инфракрасной лампы. В будущем авторы планируют использовать для привода естественный солнечный свет.

Мягкие прыгающие роботы могут помочь разобраться в том, как прыгают настоящие животные. В прошлом году американские инженеры и биологи воспроизвели с помощью эластичных стержней прыжки нематод, которые сворачиваются в петлю, а затем резко распрямляются. Модель робота с длиной тела 12 сантиметров, например, смогла подпрыгнуть на высоту до трех метров со скоростью тринадцать метров в секунду.