Учёные создали крошечного робота в форме лягушки, который передвигается по воде без двигателя, аккумулятора и проводов. Вместо традиционной электроники он использует искусственные мышцы, способные сокращаться под воздействием света. Разработка демонстрирует новые возможности мягкой робототехники и может однажды найти применение при исследовании труднодоступных водных пространств.
Правда, пока рекордов скорости от необычного пловца ждать не стоит: на преодоление расстояния примерно с длину кредитной карты ему требуется почти две минуты. Но главное достижение исследователей заключается вовсе не в скорости.
Робот весом меньше грамма
Необычную конструкцию разработала международная команда исследователей из Орхусского университета (Aarhus University, Дания) и Люксембургского университета (University of Luxembourg). Работой руководили химик Брижит Штедлер (Brigitte Städler) и аспирантка Сесилия Рюберг (Cecilie Ryberg).
Результатом их работы стала миниатюрная роботизированная лягушка массой менее одного грамма. Её корпус изготовлен из мягкого силикона, а роль двигательной системы выполняют шесть искусственных мышц, соединённых с задними конечностями.
Примечательно, что все основные элементы конструкции — мягкое тело и мышечные структуры — исследователи изготовили за один цикл 3D-печати. Такой подход позволил интегрировать исполнительные механизмы непосредственно в корпус робота, избавившись от необходимости собирать сложную систему из множества отдельных деталей.
Как работают искусственные мышцы, управляемые светом?
В основе технологии лежат жидкокристаллические эластомеры — особый класс полимерных материалов, которые способны изменять свою форму под воздействием внешних факторов. В данном случае таким фактором стало тепло, возникающее при поглощении ближнего инфракрасного излучения.
Принцип работы достаточно интересен. Специальную полимерную смесь, напоминающую по консистенции жидкую резину, пропускают через сопло 3D-принтера. Во время печати молекулы материала ориентируются в определённом направлении. Благодаря этому готовые структуры приобретают способность предсказуемо изменять длину при нагревании и охлаждении.
Когда на мышцы направляют инфракрасный свет, содержащийся в материале краситель поглощает излучение и преобразует его в тепло. Нагрев нарушает упорядоченное расположение молекул полимера, в результате чего мышечные полоски сокращаются.
После прекращения освещения материал остывает и возвращается к исходной длине.
Таким образом, обычный световой импульс заменяет электрический сигнал, а изменение температуры непосредственно приводит в движение конечности робота. В конструкции нет ни электромоторов, ни батарей, ни управляющих проводов.
Почему заставить робота плыть оказалось непросто?
Создать искусственную мышцу, которая умеет сокращаться, — лишь половина задачи. Гораздо сложнее заставить несколько таких элементов работать согласованно.
Именно с этой проблемой столкнулась команда Брижит Штедлер. Шесть мышц должны сокращаться таким образом, чтобы движения задних конечностей создавали направленную тягу. Если нарушить синхронизацию, робот не поплывёт вперёд, а начнёт вращаться на месте.
Первые варианты конструкции подтвердили эту проблему. При включении освещения мышцы тянули ноги внутрь, из-за чего конечности выталкивали воду в направлении головы робота. Вместо движения вперёд получался совершенно другой результат.
Исследователям пришлось изменить расположение креплений мышц и геометрию суставов. После корректировки конструкция начала двигать ногами так, чтобы отбрасывать воду назад и создавать поступательное движение.
В результате робот смог самостоятельно преодолеть около 80 мм по поверхности водного резервуара. Среднее время прохождения этого расстояния составило 1 минуту 54 секунды. Это соответствует скорости примерно 1,5 длины собственного тела в минуту.
Для живой лягушки такой результат выглядел бы весьма скромно. Однако для искусственной системы, не имеющей двигателя и питающейся исключительно световыми импульсами, это важное доказательство работоспособности технологии.
Какие ограничения предстоит преодолеть?
Несмотря на успешные испытания, у конструкции пока есть несколько существенных недостатков.
Прежде всего, для прямолинейного движения необходимо равномерно распределять световые импульсы между мышцами. Малейшее нарушение согласованности может изменить направление движения.
Есть и другая проблема: вода отводит тепло от искусственных мышц. Из-за этого материал остывает быстрее, чем хотелось бы исследователям, что влияет на характер и эффективность его работы.
В качестве одного из возможных решений учёные рассматривают использование управляемого светового луча. Если научиться направлять излучение на отдельные мышцы поочерёдно, робот сможет приводить в движение разные конечности независимо друг от друга. Это откроет возможность не только двигаться вперёд, но и поворачивать.
Где пригодятся роботы, управляемые светом?
Пока исследователи рассматривают свою разработку прежде всего как экспериментальную платформу. Впрочем, потенциальные области применения гораздо интереснее, чем может показаться на первый взгляд.
Мягкие миниатюрные роботы способны проникать туда, куда сложно добраться обычным механизмам. Если дальнейшие разработки позволят повысить их манёвренность и эффективность, подобные устройства можно будет использовать для обследования затопленных сооружений, узких каналов и других труднодоступных водных пространств.
На такие платформы также можно будет устанавливать небольшие датчики для сбора информации об окружающей среде.
Особый интерес представляет сама технология изготовления. Печать искусственных мышц непосредственно внутри мягкого корпуса позволяет создавать компактные роботизированные устройства с минимальным количеством отдельных компонентов. Это может упростить разработку новых поколений биомиметических роботов — машин, движения и конструкция которых вдохновлены живыми организмами.
Любопытно, что у технологии есть и более простое потенциальное применение. Сами разработчики не исключают, что однажды подобная лягушка может превратиться в необычную игрушку, которой достаточно направить свет, чтобы она отправилась в плавание.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Advanced Materials Technologies.
