|
Путь к созданию более быстрых и гибких роботов
|
|
|
|
В статье, опубликованной 15 мая в журнале Physical Review Letters, физики из Технологического института Вирджинии раскрыли микроскопическое явление, которое может значительно улучшить производительность "мягких" устройств, таких как гибкие роботы или микроскопические капсулы для доставки лекарств. В статье, написанной докторантом Чинмаем Катке, доцентом К. Надиром Капланом и соавтором Питером А. Кореваром из Университета Радбуда в Нидерландах, предлагается новый физический механизм, который может ускорить расширение и сжатие гидрогелей. Во-первых, это открывает перед гидрогелями возможность заменить материалы на основе каучука, используемые для изготовления гибких роботов, что позволяет этим искусственным материалам двигаться со скоростью и ловкостью, близкими к человеческим рукам. Мягкие роботы уже используются на производстве, где устройство, похожее на руку, запрограммировано на то, чтобы брать продукт с ленты конвейера - например, хот—дог или кусок мыла — и помещать его в контейнер для упаковки. Но те, что используются сейчас, опираются на гидравлику или пневматику, чтобы изменить форму "руки", поднимающей предмет.
|
|
|
|
Подобно нашему собственному телу, гидрогели в основном содержат воду и находятся повсюду вокруг нас, например, в составе желе и геля для бритья. Исследования Катке, Кореваара и Каплана, по-видимому, позволили найти метод, который позволяет гидрогелям набухать и сжиматься гораздо быстрее, что повышает их гибкость и способность функционировать в различных условиях. Живые организмы используют осмос для таких процессов, как расщепление семян, рассеивание плодов в растениях или всасывание воды в кишечнике. Обычно мы представляем себе осмос как поток воды, проходящий через мембрану, через которую не могут пройти более крупные молекулы, такие как полимеры. Такие мембраны называются полупроницаемыми, и считалось, что они необходимы для запуска процесса осмоса. Ранее Кореваар и Каплан проводили эксперименты, используя тонкий слой гидрогелевой пленки, состоящей из полиакриловой кислоты. Они заметили, что, несмотря на то, что гидрогелевая пленка пропускает как воду, так и ионы и не является селективной, гидрогель быстро набухает за счет осмоса, когда ионы высвобождаются внутри гидрогеля, и снова сжимается.
|
|
|
Катке, Кореваар и Каплан разработали новую теорию, объясняющую вышеупомянутое наблюдение. Согласно этой теории, микроскопические взаимодействия между ионами и полиакриловой кислотой могут привести к набуханию гидрогеля, когда высвобождающиеся ионы распределяются внутри гидрогеля неравномерно. Они назвали это "диффузионно-форетическим набуханием гидрогелей". Более того, этот недавно открытый механизм позволяет гидрогелям набухать намного быстрее, чем это было возможно ранее. Каплан пояснил: "В настоящее время мягкие и маневренные роботы изготавливаются из резины, которая "выполняет свою работу, но их форма изменяется гидравлически или пневматически. Это нежелательно, поскольку в этих роботах сложно встроить сеть трубок для подачи воздуха или жидкости". Представьте себе, сказал Каплан, сколько разных вещей вы можете сделать своей рукой и как быстро вы можете это делать благодаря своей нейронной сети и движению ионов под вашей кожей. Поскольку резина и гидравлика не так универсальны, как ваши биологические ткани, которыми является гидрогель, современные мягкие роботы могут выполнять только ограниченное количество движений".
|
|
|
|
Катке объяснил, что исследованный ими процесс позволяет гидрогелям изменять форму, а затем возвращаться к своей первоначальной форме "значительно быстрее" в мягких роботах, которые стали больше, чем когда-либо прежде. По словам Катке, в настоящее время только гидрогелевые роботы микроскопического размера могут реагировать на химический сигнал достаточно быстро, чтобы быть полезными, а более крупным требуется несколько часов, чтобы изменить форму. Используя новый метод диффузии, мягкие роботы размером до сантиметра могут трансформироваться всего за несколько секунд, что является предметом дальнейших исследований. Более крупные гибкие мягкие роботы, способные быстро реагировать, могли бы улучшить вспомогательные устройства в здравоохранении, функции "подбора и размещения" на производстве, поисково-спасательные операции, косметику, используемую для ухода за кожей, и контактные линзы.
|
|
|
|
Источник
|
