Инженеры разработали робот без электроники, способный контролировать состояние воды

Команда инженеров из Университета Дюка разработала новый робот без электроники, мягкий и способный играть большую роль в контроле состояния окружающей среды в будущем. Робот имеет форму стрекозы и может скользить по воде, реагируя на изменения pH, температуры и присутствия масла.

Новая демонстрация принципа была описана в журнале Advanced Intelligent Systems 25 марта.

Мягкие роботы продолжают совершенствоваться и улучшаться, и они становятся все более важными благодаря своей универсальности. Они способны обращаться с деликатными объектами, такими как биологические ткани, и могут помещаться в более узкие пространства по сравнению с другими жесткими роботами.

Шини Варгис, ответственный за идею, является профессором биомедицинской инженерии, механической инженерии и материаловедения, а также ортопедической хирургии в Университете Дюка.

Вардхам Кумар является аспирантом в лаборатории Варгиса и первым автором статьи.

«Я получил электронное письмо от Шини из аэропорта, в котором она рассказала об идее создания мягкого робота, использующего самоисцеляющийся гидрогель, который ее группа изобрела ранее, для реакции и движения автономно», – сказал Кумар. «Но это было все, что было в письме, и я не слышал от нее в течение нескольких дней. Итак, идея как бы зависла в воздухе, пока у меня не было достаточно свободного времени, чтобы заняться ею, и Шини сказала, чтобы я продолжил».

Самоисцеляющийся гидрогель

В 2012 году лаборатория Варгиса разработала самоисцеляющийся гидрогель, способный реагировать на изменения pH всего за несколько секунд. Изменение кислотности вызывает образование новых связей в гидрогеле, и это можно обратить, когда pH возвращается к исходному уровню.

Часть новой идеи Варгиса заключалась в использовании гидрогеля на мягком роботе, чтобы он мог передвигаться по воде и обнаруживать изменения pH в разных местах. Она искала способ создания такого робота, который мог бы действовать как автономный датчик окружающей среды.

Вместе с Унг Хен Ко, постдокторантом в лаборатории Варгиса, Кумар разработал мягкого робота на основе мухи. После нескольких попыток команда решила использовать форму стрекозы и создала его с сетью внутренних микроканалов, которые позволяли ему управляться с помощью давления воздуха.

Тело мягкого робота имеет длину около 5,7 см, а размах крыльев – 3,6 см. Он был создан путем заливки силикона в алюминиевую форму, после чего его запекли. Для создания внутренних каналов использовалась мягкая литография, и они были соединены с силиконовыми трубками.

https://www.youtube.com/watch?v=bTjZQMvagJ8&t=2s

DraBot

В результате получился мягкий робот, названный DraBot.

«Получение DraBot для реакции на давление воздуха на больших расстояниях без электроники было сложной задачей», – сказал Ко. «Это было, безусловно, самой сложной частью».

DraBot управляет давлением воздуха, поступающего в его крылья, и микроканалы затем направляют воздух в передние крылья. Затем он выходит через отверстия, направленные прямо в задние крылья. DraBot не будет двигаться, если поток воздуха заблокирован обоими задними крыльями, находящимися внизу. Однако, если оба крыла подняты, он движется вперед.

Команда также разработала баллонные актуаторы, чтобы получить больший контроль, и они расположены под каждым из задних крыльев возле тела робота. Когда эти баллоны надуваются, крыло загибается вверх, и исследователи могут контролировать, куда движется робот, изменяя положение крыльев.

«Мы были счастливы, когда смогли управлять DraBot, но он основан на живых существах», – сказал Кумар. «И живые существа не просто движутся сами по себе, они реагируют на свою среду».

Команда использовала самоисцеляющийся гидрогель, нанеся его на одну пару крыльев, что сделало DraBot чувствительным к изменениям pH воды. Если вода слишком кислая, переднее крыло одной стороны слипается с задним, вызывая вращение робота по кругу вместо прямого движения. После того, как pH возвращается к нормальному уровню, гидрогель обратно разрывает связи, и крылья снова разделяются, позволяя DraBot полностью реагировать на команды.

Исследователи также добавили материалы, реагирующие на температуру, что позволяет DraBot скользить по воде и впитывать масло с помощью губок. Цвет губок меняется в зависимости от цвета масла, и когда вода слишком теплая, крылья робота также меняют цвет.

Новые разработки могут помочь бороться с экологическими проблемами в будущем. Например, такой робот может обнаруживать закисление пресной воды, которое влияет на различные геологически чувствительные регионы. Он также может помочь обнаружить разливы нефти на ранней стадии или обнаружить ранние признаки красного прилива и обесцвечивания кораллов.