Оживший серпантин: 4D-печать гибкого самоходного робота

Хочешь жить - умей вертеться

Многие из нас сталкивались с различными «жесткими» роботами в современной жизни. Автоматизация развивается уже далеко не первое десятилетия, поэтому видеть мы их будем лишь чаще с каждым годом. Однако, существуют и гибкие роботы, преимущество которых перед «жесткими» в первую очередь в том, что они могут изменять свою форму, а значит - проникать в труднодоступные места. По той же причине их функционал может быть значительно шире. Минусом гибких роботов является более сложный процесс создания и ограниченный выбор материалов, из которых они могут состоять. На помощь приходит технология 4D-печати, применяющаяся в том числе и для создания устройств, способных впоследствии менять свою форму.

Робот-ленточка

Для конструирования робота-ленты инженеры из Китая решили использовать жидкокристаллический эластомер (LCE). Данный материал способен к временной деформации в ответ на раздражители. При температуре выше 160°C напечатанные образцы прямоугольной формы превращаются в цилиндры и самостоятельно начинают передвигаться по нагревательной подложке. Полость внутри цилиндра позволяет наполнить устройство грузом, превышающим массу робота в 40 раз.
Китайским ученым были нужны определенные характеристики материала. Исследования и сверхточная калибровка принтера привели к необходимым результатам.
Для печати использовалась технология HOT-DIW, которая допускает последующую изменчивость готового изделия.
Материал LCE имеет особую морфологию, толщину и минимальное количество дефектов. При нагревании до температуры 160°C образцы материала сжимались в направлении печати и расширялись в перпендикулярном направлении. Таким образом максимальная деформация могла достигать 40% и 25% соответственно. Разная ориентация структуры материала в слоях, что также являлось одним из параметров печати, допустила деформацию вне плоскости.

Таким образом получился «слоеный» прямоугольник, который сворачивается в спираль при высокой температуре и обладает так называемым телесным интеллектом. Данный робот не имеет абсолютно никакой электроники, а функционирует лишь за счёт своей особой конструкции.
При нагревании материала на специальной пластине температура на верхней части колец спирали, в которую свёрнуто устройство, и на нижней различаются, что приводит к неравномерной деформации, в результате которой робот получает способность к перекатываниям. Ученые отмечают, что весь процесс перекатывания происходит автоматически, без изменения факторов окружающей среды, что отличает данную разработку от других гибких роботов, требующих наличия внешнего контроля.

Усатый полосатый

Существует несколько рабочих параметров устройства, таких как особая длина, толщина материала, а также температура нагревательной пластины. Экспериментально удалось получить оптимальные характеристики, позволяющие роботу перемещаться с большей скоростью или даже по склону. Изготовление устройства целиком из одного материала наделило его способностью интеллектуального восприятия и обхода препятствий, подобно насекомым с усиками.
Такую необычную конструкцию решили проверить на способность к перемещению тяжестей. Наиболее удачным способом перевозить груз роботом оказалось создание своеобразного прицепа со штангой, закрепленной внутри спирали робота. Таким образом масса перемещаемого груза может достигать 140% от массы спирали.
Фантастический результат.

При всем сказочном количестве плюсов данной разработки, стоит сказать, что она находится в зачаточной стадии, и предстоит немало работы, прежде чем проект обзаведется практическим применением. Но это не исключает его уникальности и величины потенциала, который раскроется со временем. Будем следить за развитием данной технологии и обязательно еще расскажем вам о ее развитии.