Невеликі автономні роботи, здатні працювати в стиснених умовах, можуть допомогти у майбутніх пошуково-рятувальних операціях та огляді деталей інфраструктури, важкодоступних для людей або більших роботів. Однак традиційні жорсткі двигуни, які можуть використовуватися в роботах, складно зменшити до таких масштабів, оскільки вони легко ламаються при зменшенні або не можуть долати сили тертя.
Дослідники розробили еласто-електромагнітну систему, натхненну м'язами, для створення «м'яких» роботів розміром із комаху з гнучких матеріалів. «Стало ясно, що наявним м'яким роботизованим системам такого масштабу досі не вистачає ефективних та автономних механізмів керування», — каже Ханьцін Цзян, професор машинобудування в Університеті Вестлейк Ханчжоу, Китай. Натомість їм «часто потрібні жорсткі стимули, такі як висока напруга, сильні зовнішні поля або яскраве світло, що ускладнює їхнє реальне застосування».
М'язи функціонують подібно до актуатора, де частини тіла рухаються завдяки скороченню і розслабленню м'язових волокон. При підключенні до решти тіла мозок та інші електричні системи організму дозволяють тваринам здійснювати різні рухи, включаючи рухи, що створюють непропорційно великі сили щодо маси тіла.
Технологія актуаторів, натхненних м'язами
Новий актуатор виготовлений із гнучкого силіконового полімеру полідиметилсилоксану, неодимового магніту та електричної котушки, переплетеної з м'якими магнітними залізними сферами. Дослідники виготовили актуатори за допомогою процесу двовимірного лиття, що дозволяє виробляти їх у міліметровому, сантиметровому та дециметровому масштабах. Він також масштабується для більших та потужніших м'яких пристроїв. "Ми змістили фокус з реакції матеріалу на структурну конструкцію м'яких матеріалів і об'єднали її зі статичними магнітними силами, щоб створити новий механізм актуатора", - говорить Цзян. Дослідники опублікували свою роботу у журналі Nature Communications.
Новий актуатор здатний скорочуватися подібно до м'яза, використовуючи баланс між пружними й магнітними силами. При стисканні актуатора генерується електричний струм, що створює силу Лоренца між електричною котушкою та неодимовим магнітом. Актуатор деформується, коли залізні сфери реагують на збільшену силу, що можна використовувати для забезпечення руху самого робота. Гнучкий полімер гарантує, що система може як деформуватися, так і повертатися у вихідний стан після припинення подачі струму.
Система, протестована дослідниками, досягла вихідної сили 210 ньютонів на кілограм, низької робочої напруги (менше ніж 4 вольти) і живиться від вбудованих акумуляторів. Вона також може витримувати значні деформації зі ступенем стиснення до 60%. Дослідники зробили її більш енергоефективною, не вимагаючи постійного живлення для підтримки стабільного стану, коли актуатор не рухається, - цей метод аналогічний тому, як молюски утримуються на місці за допомогою своїх м'язів-схоплювачів, які можуть підтримувати високу напругу протягом тривалого часу, з'єднуючи товсті та тонкі м'язові нитки.
Автономні м'які роботи розміром із комаху
Дослідники використовували актуатори для розробки серії м'яких роботів розміром із комаху, які могли демонструвати автономне адаптивне повзання, плавання та стрибки у різних умовах.
Однією з таких серій роботів розміром із комаху була група компактних м'яких гусеничних роботів розміром всього 16×10×10 мм та вагою всього 1,8 грама. Роботи були оснащені рухомим зчленуванням, літій-іонним акумулятором на 3,7 В (30 міліампер-годин) та інтегрованою схемою керування. Така конструкція дозволяла роботам повзати, використовуючи послідовні скорочення та розслаблення — подібно до гусениці. Попри невеликий розмір, гусеничний робот розвивав вихідну силу 0,41 ньютона, що у 8–45 разів перевищує потужність наявних м'яких гусеничних роботів розміром із комаху.
Ця вихідна сила дозволяла роботу долати важкопрохідні ділянки, включаючи ґрунт, необроблений камінь, ПВХ, скло, дерево та ухили від 5 до 15 градусів, зберігаючи при цьому постійну швидкість. Крім того, роботи-комахи виявилися дуже стійкими до ударів та падінь. Вони не отримували пошкоджень та продовжували працювати навіть після падіння з висоти 30 метрів з будівлі.
Дослідники також розробили гусеничні роботи розміром 14×20×19 мм, вагою 1,9 г та вихідною силою 0,48 ньютона, які повзали подібно до гусениць. Вони використовували обертальні пружно-електромагнітні шарніри для переміщення ніг вперед і назад і важили всього 1,9 г. Дослідники також побудували робота-плавуна розміром 19х19х11 мм вагою 2,2 г та вихідною силою 0,43 Н.
Крім тестування пересування роботів по різних поверхнях, дослідники побудували кілька смуг перешкод для їхньої навігації та виконання сенсорних операцій. Робот-гусінь був поміщений на смугу перешкод з вузькими та складними доріжками та використовував датчик вологості для виявлення джерел вологи. Плавучі роботи були випробувані як у лабораторних умовах, так і в річці. У лабораторії було створено смугу, де плавець мав виконувати операції хімічного зондування у вузькій камері за допомогою вбудованого мініатюрного детектора етанолу.
Цзян каже, що зараз дослідники вивчають розробку рою роботів, оснащених датчиками, здатними до розподіленого виявлення, прийняття рішень та колективної поведінки. "Координуючи роботу безлічі невеликих роботів, ми прагнемо створювати системи, здатні охоплювати великі площі, адаптуватися до динамічних умов і розумніше реагувати на складні завдання".
Цзян каже, що вони також вивчають можливості польоту та інших плавальних рухів, які забезпечує еласто-електромагнітна система, включаючи створення м'якого робота у формі медузи для глибоководних досліджень та морських досліджень.
