Синтетический материал позволяет мягким роботам расти как растения

Команда ученых и инженеров из Университета Миннесоты разработала процесс экструзии, вдохновленный растениями, который позволяет синтетическому материалу расти, что может позволить мягким роботам расти как растениям. Этот метод является инновационным и новым, и полученные роботы могли бы перемещаться в тесных местах, сложной местности и даже внутри человеческого тела.

Исследование, которое было финансировано Национальным научным фондом, было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Роботы, которые “растут” при движении

Крис Эллисон является одним из ведущих авторов статьи и профессором кафедры химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты в кампусе Твин-Ситиз.

“Это первый раз, когда эти концепции были фундаментально продемонстрированы”, – сказал Эллисон. “Разработка новых методов производства имеет первостепенное значение для конкурентоспособности нашей страны и для вывода новых продуктов на рынок. С точки зрения робототехники, роботы все чаще используются в опасных, удаленных средах, и именно в таких областях эта работа может иметь влияние”.

Мягкие роботы – это роботы, изготовленные из мягких и гибких материалов вместо жестких, и эти новые типы мягких растущих роботов могут генерировать новый материал и “расти” при движении. Они могут быть применены в различных областях, и они особенно полезны для ориентирования в удаленных районах, которые люди не могут достичь. Реальные применения могут включать осмотры или установку подземных труб, или ориентирование внутри человеческого тела.

Существующие мягкие растущие роботы оставляют за собой след из твердого материала, и они используют тепло и/или давление для преобразования материала в более постоянную структуру. Исследователи сравнивают это с 3D-принтером, который питается твердым филаментом для производства формованного продукта. Несмотря на это, мягким материалом становится сложно управлять, когда роботу нужно поворачивать, что означает, что для роботов трудно ориентироваться в определенных препятствиях.

Разработка новых методов экструзии

Для решения этой проблемы команда разработала новый метод экструзии. Новый процесс включает в себя проталкивание материала через отверстие для создания определенной формы, и он позволяет роботу создавать синтетический материал из жидкостей вместо твердых тел.

Мэтью Хаусладен является первым автором статьи и аспирантом кафедры химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты в кампусе Твин-Ситиз.

“Мы были действительно вдохновлены тем, как растения и грибы растут”, – сказал Хаусладен. “Мы взяли идею о том, что растения и грибы добавляют материал в конце своих тел, либо на кончиках корней, либо на новых побегах, и перевели это в инженерную систему”.

Исследователи хотели имитировать процесс, при котором растения используют воду для транспортировки строительных блоков, которые превращаются в твердые корни, когда растение растет наружу. Для достижения этого с синтетическим материалом команда использовала метод, называемый фотополимеризацией, который использует свет для преобразования жидких мономеров в твердый материал. Мягкий робот может использовать эту технологию для более легкого ориентирования вокруг препятствий и поворотов без необходимости тянуть за собой твердый материал.

Потенциальные реальные применения

Команда утверждает, что процесс можно было бы применять и в производстве, особенно там, где тепло, давление и оборудование для создания и формования материалов могут больше не понадобиться.

“Очень важной частью этого проекта является то, что у нас есть материаловеды, химические инженеры и робототехники, все участвующие в этом”, – продолжил Эллисон. “Объединив весь наш разнообразный опыт, мы действительно привнесли что-то уникальное в этот проект, и я уверен, что ни один из нас не смог бы сделать это в одиночку. Это отличный пример того, как сотрудничество позволяет ученым решать действительно сложные фундаментальные проблемы, а также оказывать технологическое влияние”.

В команду также входят исследователи кафедры химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты Боран Чжао (постдокторант) и Лоррейн Фрэнсис (заслуженный профессор Колледжа науки и инженерии), а также исследователи кафедры машиностроения этого университета Тим Ковальевски (associate professor) и Мэтью Кубала (студент последипломного уровня).