Принципы Киригами способствуют прорыву в проектировании микророботов

В последние годы мы стали свидетелями значительных успехов в области микромасштабная робототехника, расширяя границы возможного на миниатюрном уровне. Эти достижения проложили путь к потенциальным прорывам в различных областях — от медицины до мониторинга окружающей среды. В этой области инноваций исследователи из Корнеллского университета внесли заметный вклад, разработав микророботов, способных менять свою форму по команде.

Группа под руководством профессора Итая Коэна с физического факультета Корнеллского университета создала роботов размером менее одного миллиметра, способных менять форму с плоской двумерной на различные трёхмерные. Эта разработка подробно описана в статье, опубликованной в журнале Природа материалы, представляет собой значительный шаг вперед в возможностях микромасштабных роботизированных систем.

Применение техники киригами в робототехнике

В основе этого прорыва лежит инновационное применение принципов киригами в робототехническом проектировании. Киригами, разновидность оригами, включающая в себя резку и складывание бумаги, вдохновила инженеров на создание структур, способных менять форму точными и предсказуемыми способами.

В контексте этих микромасштабных роботов, методы киригами позволяют включать стратегические разрезы и складки в материал. Этот подход к проектированию позволяет роботам трансформироваться из плоского состояния в сложные трехмерные конфигурации, предоставляя им беспрецедентную универсальность на микромасштабном уровне.

Исследователи окрестили свое творение «металистовым роботом». Термин «мета» здесь относится к метаматериалам — разработанным материалам со свойствами, которые не встречаются в природных веществах. В этом случае металист состоит из многочисленных строительных блоков, работающих согласованно для создания уникального механического поведения.

Такая конструкция металиста позволяет роботу изменять зону покрытия и локально расширяться или сужаться до 40%. Способность принимать различные формы потенциально позволяет этим роботам взаимодействовать с окружающей средой способами, ранее недостижимыми в таких масштабах.

Технические характеристики и функциональность

Микроробот представляет собой шестиугольную плитку, состоящую примерно из 100 панелей диоксида кремния. Эти панели соединены между собой более чем 200 шарнирами, каждый из которых имеет толщину около 10 нанометров. Эта сложная конструкция панелей и шарниров лежит в основе способности робота менять форму.

Трансформация и движение этих роботов достигаются посредством электрохимической активации. Когда электрический ток подается через внешние провода, он запускает приводные шарниры, формируя складки гор и долин. Это приведение в действие заставляет панели раскрываться и вращаться, позволяя роботу менять свою форму.

Выборочно активируя различные шарниры, робот может принимать различные конфигурации. Это позволяет ему потенциально обматывать объекты или разворачиваться обратно в плоский лист. Способность ползать и менять форму в ответ на электрические стимулы демонстрирует уровень контроля и универсальности, который отличает этих роботов от предыдущих микромасштабных конструкций.

Возможные применения и последствия

Разработка этих изменяющих форму микророботов открывает множество потенциальных применений в различных областях. В области медицины эти роботы могли бы произвести революцию в минимально инвазивных процедурах. Их способность менять форму и перемещаться по сложным структурам тела может сделать их бесценными для целевой доставки лекарств или микрохирургии.

В области экологии эти роботы могли бы быть использованы для микромасштабного мониторинга экосистем или загрязняющих веществ. Их небольшой размер и адаптивность позволили бы им получать доступ и взаимодействовать с средами, которые в настоящее время трудно изучать.

Кроме того, в материаловедении и производстве эти роботы могли бы служить строительными блоками для реконфигурируемых микромашин. Это могло бы привести к разработке адаптивных материалов, которые могут менять свои свойства по требованию, открывая новые возможности в таких областях, как аэрокосмическая техника или интеллектуальный текстиль.

Направления будущих исследований

Команда Корнелла уже смотрит вперед к следующей фазе этой технологии. Одним из захватывающих направлений исследований является разработка того, что они называют «эластроническими» материалами. Они будут сочетать гибкие механические структуры с электронными контроллерами, создавая сверхчувствительные материалы со свойствами, которые превосходят все, что встречается в природе.

Профессор Коэн представляет себе материалы, которые могут реагировать на стимулы запрограммированным образом. Например, при воздействии силы эти материалы могут «убегать» или отталкиваться с большей силой, чем они испытывали. Эта концепция разумной материи, управляемой принципами, которые превосходят естественные ограничения, может привести к преобразующим приложениям в различных отраслях.

Ещё одно направление будущих исследований — повышение способности роботов собирать энергию из окружающей среды. Встраивая светочувствительную электронику в каждый строительный блок, исследователи стремятся создать роботов, способных работать автономно в течение длительного времени.

Проблемы и соображения

Несмотря на впечатляющий потенциал этих микророботов, остаётся ряд проблем. Одна из главных задач — масштабирование производства этих устройств с сохранением точности и надёжности. Сложность конструкции роботов создаёт значительные производственные препятствия, которые необходимо преодолеть для их повсеместного применения.

Кроме того, управление этими роботами в реальных условиях представляет собой существенные проблемы. Хотя текущие исследования демонстрируют управление через внешние провода, разработка систем для беспроводного управления и питания в таких масштабах остается существенным препятствием.

Этические соображения также вступают в игру, особенно при рассмотрении потенциальных биомедицинских приложений. Использование микророботов внутри человеческого тела поднимает важные вопросы о безопасности, долгосрочных эффектах и ​​согласии пациента, которые необходимо будет тщательно рассмотреть.

Выводы

Разработка микророботов с изменяющейся формой исследователями Корнелльского университета знаменует собой важную веху в робототехнике и материаловедении. Благодаря изобретательному применению принципов киригами для создания структур металистов этот прорыв открывает широкий спектр потенциальных приложений — от революционных медицинских процедур до расширенного мониторинга окружающей среды. 

Хотя проблемы в производстве, контроле и этических соображениях остаются, это исследование закладывает основу для будущих инноваций, таких как «эластронические» материалы. Поскольку эта технология продолжает развиваться, она имеет потенциал изменить множество отраслей и наш более широкий технологический ландшафт, демонстрируя в очередной раз, как достижения в микромасштабе могут привести к невероятным последствиям для науки и общества.