Принципи kirigami сприяють прориву в розробці мікророботів

Останні роки були свідками значного прогресу в галузі мікроскальної робототехніки, що розширює межі того, що можливо на мініатюрному рівні. Ці досягнення відкрили шлях для потенційних проривів в областях, що варіюються від медичних застосувань до моніторингу навколишнього середовища. У цьому ландшафті інновацій дослідники з Корнелльського університету зробили помітний внесок, розробивши мікроскальні роботи, які можуть змінювати свою форму за командою.

Команда, яку очолює професор Ітай Коен з фізичного факультету Корнелльського університету, створила роботи розміром менше одного міліметра, які можуть змінювати свою форму з плоскої, двовимірної форми на різні тривимірні форми. Ця розробка, описана в статті, опублікованій в Nature Materials, представляє собою значний крок вперед у можливостях мікроскальних робототехнічних систем.

Застосування техніки кірігамі в робототехніці

У центрі цього прориву лежить інноваційне застосування принципів кірігамі до розробки роботів. Кірігамі, варіант оригамі, який включає в себе не тільки складання, але й різання паперу, надихнув інженерів створити структури, які можуть змінювати свою форму точним і передбачуваним чином.

У контексті цих мікроскальних роботів техніка кірігамі дозволяє включати стратегічні розрізи і складання матеріалу. Цей підхід до розробки дозволяє роботам змінювати свою форму з плоскої форми на складні тривимірні конфігурації, надаючи їм безпрецедентну гнучкість на мікроскальному рівні.

Дослідники назвали свою розробку “меташитом робот”. Термін “мета” тут відноситься до метаматеріалів – інженерних матеріалів з властивостями, яких немає у природних речовин. У цьому випадку меташит складається з численних будівельних блоків, які працюють у концерті для виробництва унікальних механічних поведінь.

Цей дизайн меташиту дозволяє роботам змінювати свою площу покриття і розширюватися або скорочуватися локально до 40%. Спроможність приймати різні форми потенційно дозволяє цим роботам взаємодіяти зі своєю довкіллям способами, які раніше були недосяжні на цьому рівні.

Технічні характеристики та функціональність

Мікроскальний робот складається з гексагональної плитки, що складається з приблизно 100 панелей діоксиду кремнію. Ці панелі з’єднані понад 200 актуаторними шарнірами, кожний з яких має товщину близько 10 нанометрів. Ця складна система панелей і шарнірів утворює основу для можливості робота змінювати свою форму.

Трансформація і рух цих роботів досягаються за допомогою електрохімічної активації. Коли електричний струм подається через зовнішні дроти, він спрацьовує актуаторні шарніри для формування гірських і долинних складок. Це спричиняє відкриття панелей і їх обертання, що дозволяє роботам змінювати свою форму.

Вибірково активуючи різні шарніри, робот може приймати різні конфігурації. Це дозволяє йому потенційно огортати об’єкти або розгортатися назад у плоску арку. Спроможність рухатися і змінювати форму в відповідь на електричні стимули демонструє рівень контролю і гнучкості, який відрізняє ці роботи від попередніх мікроскальних розробок.

Потенційні застосування та наслідки

Розробка цих роботів, які можуть змінювати свою форму, відкриває широкий спектр потенційних застосувань у різних галузях. У сфері медицини ці роботи можуть революціонізувати мінімально інвазивні процедури. Їхня спроможність змінювати форму і навігацію через складні тканини організму може зробити їх незамінними для цілевої доставки ліків або мікрохірургії.

У галузі екологічної науки ці роботи можуть бути розгорнуті для мікроскального моніторингу екосистем або забруднювачів. Їхній малий розмір і адаптивність дозволять їм доступ і взаємодію з середовищами, які зараз важко вивчати.

Крім того, у галузі матеріалознавства та виробництва ці роботи можуть служити будівельними блоками для реконфігурованих мікромашин. Це може привести до розробки адаптивних матеріалів, які можуть змінювати свої властивості за командою, відкриваючи нові можливості в галузях, таких як аерокосмічна інженерія або розумні тканини.

Напрями майбутніх досліджень

Команда Корнелльського університету вже дивиться вперед на наступний етап цієї технології. Одним із цікавих напрямків досліджень є розробка того, що вони називають “еластронними” матеріалами. Ці матеріали будуть поєднувати гнучкі механічні структури з електронними контролерами, створюючи ультра-чутливі матеріали з властивостями, які перевершують все, що існує в природі.

Професор Коен бачить матеріали, які можуть реагувати на стимули програмованими способами. Наприклад, коли вони піддаються дії сили, ці матеріали можуть “втікати” або відштовхувати з більшою силою, ніж вони пережили. Ця концепція інтелектуальної матерії, керованої принципами, які перевершують природні обмеження, може привести до трансформаційних застосувань у декількох галузях.

Іншим напрямком майбутніх досліджень є підвищення здатності роботів добувати енергію з їхнього середовища. Включаючи світлочутливу електроніку в кожний будівельний блок, дослідники намагаються створити роботи, які можуть працювати автономно протягом тривалого часу.

Виходи та розгляди

Незважаючи на цікавний потенціал цих мікроскальних роботів, залишаються декілька викликів. Одним із основних питань є масштабування виробництва цих пристроїв при збереженні точності і надійності. Складна природа конструкції роботів представляє значні виробничі перешкоди, які потрібно подолати для широкого застосування.

Крім того, контроль цих роботів у реальних середовищах представляє суттєві виклики. Хоча поточні дослідження демонструють контроль через зовнішні дроти, розробка систем для бездротового контролю і живлення на цьому рівні залишається суттєвим перешкодом.

Етичні розгляди також грають важливу роль, особливо при розгляді потенційних біомедичних застосувань. Використання мікроскальних роботів всередині людського організму піднімає важливі питання про безпеку, довгострокові ефекти і згоду пацієнтів, які потрібно буде ретельно розглянути.

Основне

Розробка роботів, які можуть змінювати свою форму, дослідниками Корнелльського університету, ставить значний рубіж у робототехніці та матеріалознавстві. Застосовуючи принципи кірігамі для створення меташитових структур, цей прорив відкриває широкий спектр потенційних застосувань, від революційних медичних процедур до просунутого моніторингу навколишнього середовища.

Хоча залишаються виклики у виробництві, контролі та етичних розглядах, ці дослідження закладають основу для майбутніх інновацій, таких як “еластронні” матеріали. По мірі розвитку цієї технології вона має потенціал змінити декілька галузей і наш ширший технологічний ландшафт, демонструючи ще раз, як досягнення на мікроскальному рівні можуть мати непропорційно великий вплив на науку і суспільство.