Инфракрасный свет заставляет мягкого робота прыгать непрерывно
Американские инженеры создали двухсантиметрового мягкого робота, который способен непрерывно прыгать по неровной поверхности и плавать под воздействием инфракрасного света. Этот робот представляет собой свернутый в кольцо стержень из жидкокристаллического эластомера, концы которого соединены, формируя V-образный хвост. При попадании инфракрасного света материал нагревается и скручивается. Когда деформация достигает критического уровня, хвост ударяет по поверхности, подбрасывая робота в воздух. В полете кольцо возвращается в свою первоначальную форму, и цикл повторяется без необходимости внешнего вмешательства, достаточно лишь освещения. Подробности о принципе работы и результаты испытаний опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Об этом сообщает N + 1.
Обычно механизмы прыгающих роботов накапливают упругую энергию через изгиб, растяжение или скручивание конструктивных элементов, а затем резко высвобождают ее, создавая мощный импульс для отрыва от поверхности. В мягкой робототехнике большинство таких прыгунов требуют ручного возврата в исходное состояние или управления с помощью меняющегося во времени внешнего воздействия, например, периодического включения или выключения источника тепла, который деформирует эластомерную пружину.
В первом случае робот становится по сути одноразовым, во втором необходима сложная система управления. Хотя существуют мягкие устройства, способные многократно прыгать при постоянном воздействии, без ручного взведения, количество прыжков, которые они могут выполнить, до недавнего времени было ограниченным. Например, полимерные полоски и шайбы, подпрыгивающие по мере испарения растворителя, прекращали движение, как только устройство высыхало.
Инженеры под руководством Цзе Иня из Университета Северной Каролины предложили решение этой проблемы. Они разработали мягкого робота в виде свернутого в кольцо стержня из термочувствительного жидкокристаллического эластомера. Концы стержня вставлены в изогнутую алюминиевую трубку, образуя жесткий хвост в форме буквы V. Длина кольца составляет около двух сантиметров, а его толщина — около миллиметра. При освещении инфракрасным светом полимер нагревается и начинает скручиваться из-за градиента температуры, накапливая энергию деформации. Одновременно жесткий хвост, сопротивляясь закручиванию, постепенно отклоняется из плоскости кольца, поворачиваясь к его центру.
Когда деформация достигает критического значения, хвост с алюминиевым концом за примерно 30 миллисекунд резко сгибается внутрь кольца и ударяет по земле, подбрасывая робота в воздух. Оторвавшись от земли, кольцо быстро раскручивается и восстанавливает свою форму еще до приземления. Этот процесс образует замкнутый цикл, который повторяется, пока горит свет. На суше один цикл занимает около 20 секунд, а в экспериментах робот совершил более 500 прыжков без какого-либо вмешательства.
Регулируя угол при вершине хвоста и интенсивность света, разработчики смогли переключать робота между различными 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 поднимается примерно на восемь сантиметров — это в 80 раз больше его высоты. При углах от 80 до 110 градусов робот начинает прыгать вверх и вперед, а почти круглые кольца с углом больше 110 градусов передвигаются ползком. Чтобы избежать переворота в полете при прыжках вперед, инженеры добавили на переднюю часть кольца небольшой груз из фольги, смещающий центр масс. Самые длинные устойчивые прыжки — около 7,5 сантиметра — были достигнуты 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 прыгать вверх по склону под углом до 30 градусов, не переворачиваясь. Кроме того, кольцо способно перепрыгивать через низкие барьеры и продолжать прыжки после столкновения с препятствием. Переворот не приводит к остановке: благодаря зеркальной симметрии перевернутый робот функционирует так же, как в исходном положении.
Робот также способен плавать, но после доработки. Для этого инженеры покрыли эластомер водоотталкивающим слоем, добавили в материал оксид графена для улучшения поглощения света и удлинили хвост. На воде робот закручивается так же, как и на суше, а хвост работает как весло, толкая кольцо вперед. Достигнув берега, устройство может выбраться на сушу, упираясь хвостом 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 понять, как прыгают настоящие животные. В прошлом году американские инженеры и биологи воспроизвели прыжки нематод с помощью эластичных стержней, которые сворачиваются в петлю, а затем резко распрямляются. Модель робота длиной 12 сантиметров смогла подпрыгнуть на высоту до трех метров со скоростью тринадцать метров в секунду.
