Інженери розробили роботизований апарат без електроніки для моніторингу стану води

Команда інженерів з університету Дюка розробила новий роботизований апарат без електроніки, який може відігравати велику роль у моніторингу стану навколишнього середовища в майбутньому. Роботизований апарат має форму бабки та може пересуватися по поверхні води, реагуючи на зміни рівня pH, температури та присутності нафти.

Нова демонстрація принципу дії була опублікована в журналі Advanced Intelligent Systems 25 березня.

М’які роботизовані апарати продовжують розвиватися та покращуватися, і вони стають все більш важливими завдяки своїй універсальності. Вони здатні обробляти деликатні об’єкти, такі як біологічні тканини, і можуть поміститися в тісніші простори порівняно з іншими жорсткими роботами.

Шині Варгезе, професор біомедичної інженерії, механічної інженерії та матеріалознавства, а також ортопедичної хірургії в університеті Дюка, стала ініціатором цієї ідеї.

Вардхам Кумар, аспірант у лабораторії Варгезе, є першим автором статті.

«Я отримав електронний лист від Шині з аеропорту, в якому вона розповіла про свою ідею створення м’якого роботизованого апарату, який використовує самозцілювальний гідрогель, який її група винайшла раніше, для реакції та руху автономно», – сказав Кумар. «Але це був весь зміст листа, і я не чув від неї нічого протягом декількох днів. Тому ця ідея фактично була в стані очікування, поки я не мав достатньо вільного часу, щоб зайнятися цим, і Шині сказала мені продовжувати роботу».

Самозцілювальний гідрогель

У 2012 році лабораторія Варгезе розробила самозцілювальний гідрогель, який能够 реагувати на зміни рівня pH вже через декілька секунд. Зміна рівня кислотності призводить до утворення нових зв’язків у гідрогелі, і це можна скасувати, коли рівень pH повертається до первинного рівня.

Частина нової ідеї Варгезе полягала в тому, щоб використовувати гідрогель на м’якому роботизованому апараті, щоб дозволити йому пересуватися по поверхні води та виявляти зміни рівня pH в різних місцях. Вона шукала спосіб створення такого роботизованого апарату, який би діяв як автономний датчик навколишнього середовища.

Разом з Унг Хьон Ко, постдокторантом у лабораторії Варгезе, Кумар розробив м’який роботизований апарат на основі бабки. Після декількох спроб команда вирішила зупинитися на формі бабки, і його було розроблено з мережею внутрішніх мікроканалів, які дозволяли керувати ним за допомогою повітряного тиску.

Тіло м’якого роботизованого апарату має довжину близько 5,7 см, а його розмах крил становить 3,6 см. Його було створено шляхом заливання силікону в алюмінієву форму, після чого його випікали. Для створення внутрішніх каналів було використано технологію м’якої літографії, а канали було підключено до силіконових трубок.

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

DraBot

Результатом став м’який роботизований апарат під назвою DraBot.

«Отримання реакції DraBot на повітряний тиск на великих відстанях без використання електроніки було складним завданням», – сказав Ко. «Це була найскладніша частина роботи».

DraBot контролює повітряний тиск, який надходить у його крила, а потім мікроканали перекидають повітря у передні крила. Воно виходить через отвори, які спрямовані безпосередньо у задні крила. DraBot не рухається, якщо повітряний потік заблокований обома задніми крилами. Однак, якщо обидва крила підняті, апарат рухається вперед.

Команда також розробила балонні актуатори, які дозволяють краще контролювати рух апарату. Вони розташовані під кожним із задніх крил біля тіла апарату. Коли ці балони надуваються, крило загинається вгору, і дослідники можуть контролювати напрям руху апарату, змінюючи положення крил.

«Ми були раді, коли нам вдалося контролювати DraBot, але це засновано на живих організмах», – сказав Кумар. «І живі організми не просто рухаються автономно, вони реагують на своє середовище».

Команда використала самозцілювальний гідрогель, нанесши його на одну з пари крил, що зробило DraBot чутливим до змін рівня pH води. Якщо вода надто кисла, переднє крило однієї зі сторін з’єднується з заднім, що призводить до того, що апарат починає рухатися по колу замість прямолінійного руху. Після повернення рівня pH до нормального гідрогель повертається до первинного стану, і крила знову роз’єднуються, що дозволяє апарату рухатися під контролем.

Дослідники також додали матеріали, чутливі до температури, що дозволяє апарату пересуватися по поверхні води та вбирати нафту за допомогою губок. Колір губок змінюється залежно від кольору нафти, а коли вода надто тепла, крила апарату також змінюють колір.

Нові розробки можуть допомогти боротися з екологічними проблемами в майбутньому. Наприклад, такий апарат може виявляти закислення прісної води, яке впливає на геологічно чутливі регіони. Він також може допомогти виявляти розливи нафти на ранній стадії або виявляти перші ознаки червоного приливу та відбілювання коралів.