Инженеры из Университета Макгилла сделали шаг к будущему, в котором роботы будут не жесткими машинами с моторами и проводами, а гибкими, почти «живыми» структурами. Они разработали ультратонкие материалы на основе графенового оксида, способные самостоятельно сгибаться, раскрываться и менять форму — словно анимированное оригами. Эта работа открывает новые горизонты для мягкой робототехники, адаптивных устройств и умных материалов, реагирующих на окружающую среду.
Графеновый оксид (GO) давно считается перспективным материалом для мягких актуаторов — элементов, которые преобразуют внешнее воздействие в движение. Он легкий, чувствительный к окружающей среде и потенциально многофункциональный. Однако у него есть серьезные недостатки: такие пленки хрупки, плохо масштабируются в производстве и, главное, почти не позволяют программировать сложные движения.
Именно эти ограничения и не давали графеновому оксиду выйти за рамки лабораторных демонстраций. Как отмечают исследователи, материал выглядел многообещающим, но на практике оставался слишком «непослушным» для реальных устройств.
Оригами из графенового оксида
Команда предложила неожиданно простое, но элегантное решение. Они создали тонкие, похожие на бумагу листы графенового оксида, которые одновременно прочны и гибки. Такие пленки можно складывать в сложные оригами-структуры без трещин и разрушения, при этом они сохраняют механическую стабильность.
В сложенном виде плоский лист превращается в активную трехмерную форму — конструкцию, способную ходить, переворачиваться, скручиваться и реагировать на внешние стимулы. При этом никакие тяжелые моторы или жесткие элементы не требуются, что особенно важно для роботов, которые должны безопасно работать рядом с человеком.
Два способа управления без проводов и батарей
Исследователи показали сразу два подхода к управлению такими структурами.
В первом случае «оригами» реагирует на влажность. При повышении уровня влаги сложенные элементы раскрываются, а при высыхании — снова закрываются. Это обратимое движение позволяет использовать материал как актуатор, полностью питаемый окружающей средой. По сути, воздух с нужной влажностью заменяет электропитание.
Во втором эксперименте в графеновый оксид встроили микроскопические магнитные частицы. Благодаря этому структуры можно удаленно направлять и перемещать с помощью внешнего магнитного поля — без физического контакта и проводов. Такой подход расширяет области применения, включая труднодоступные или чувствительные среды.
Оба метода наглядно показывают, как один и тот же базовый материал можно адаптировать под разные задачи — от медицинских инструментов до «умной» упаковки, реагирующей на изменения влажности или температуры.
Материал, который чувствует сам себя
Движение — не единственная особенность этих графеновых оригами. Слои графенового оксида меняют свою электрическую проводимость при изгибе и складывании. Это означает, что материал может отслеживать собственное движение в реальном времени.
Иначе говоря, одна и та же структура одновременно выступает и как актуатор, и как датчик. Отпадает необходимость в отдельных сенсорах, что снижает сложность, размер и энергопотребление устройств. По словам исследователей, речь идет о появлении первых реконфигурируемых «сенсориактуаторных» метаматериалов — систем, где форма, движение и чувствительность объединены в одном материале.
Зачем это нужно
Сочетание гибкости, управляемого движения, самочувствительности и возможности масштабного производства делает графеновые оригами перспективными строительными блоками для нового поколения мягких машин. Среди возможных применений — медицинские устройства, которые аккуратно перемещаются внутри организма, носимая электроника, подстраивающаяся под кожу, а также миниатюрные роботы для работы в тесных или опасных пространствах.
Важно и то, что технология опирается на простые складываемые листы, а не на сложные сборки. Это снимает один из ключевых барьеров, долго тормозивших развитие мягкой робототехники, и приближает такие системы к реальному использованию.
Результаты исследований опубликованы в журналах Materials Horizons и Advanced Science.
