Физики предлагают путь к более быстрым и гибким роботам

В статье от 15 мая, опубликованной в журнале Письма о физических отзывахФизики Технологического института Вирджинии обнаружили микроскопическое явление, которое может значительно улучшить производительность мягких устройств, таких как гибкие роботы или микроскопические капсулы для доставки лекарств.

В статье, написанной докторантом Чинмеем Катке, доцентом К. Надиром Капланом и соавтором Питером А. Коревааром из Университета Радбауд в Нидерландах, предлагается новый физический механизм, который может ускорить расширение и сжатие гидрогелей. Во-первых, это открывает возможность для гидрогелей заменить материалы на основе каучука, используемые для изготовления гибких роботов, позволяя этим изготовленным материалам, возможно, двигаться со скоростью и ловкостью, близкими к скорости и ловкости человеческих рук.

Мягкие роботы уже используются в производстве, где устройство, напоминающее руку, программируется так, чтобы захватывать предмет с конвейерной ленты (например, хот-дог или кусок мыла) и помещать его в контейнер для упаковки. Но те, которые используются сейчас, опираются на гидравлику или пневматику, чтобы изменить форму «руки», чтобы поднять предмет.

Подобно нашему собственному телу, гидрогели в основном содержат воду и находятся повсюду вокруг нас, например, пищевой желе и гель для бритья. Исследования Катке, Кореваара и Каплана, похоже, нашли метод, который позволяет гидрогелям набухать и сжиматься гораздо быстрее, что улучшит их гибкость и способность функционировать в различных условиях.

Что сделали ученые Технологического института Вирджинии?

Живые организмы используют осмос для таких действий, как разрыв семян, распространение плодов по растениям или поглощение воды в кишечнике. Обычно мы думаем об осмосе как о потоке воды, проходящем через мембрану, при этом более крупные молекулы, такие как полимеры, не могут пройти через нее. Такие мембраны называются полупроницаемыми и считались необходимыми для запуска осмоса.

Ранее Кореваар и Каплан проводили эксперименты с использованием тонкого слоя гидрогелевой пленки, состоящей из полиакриловой кислоты. Они заметили, что, хотя гидрогелевая пленка пропускает как воду, так и ионы и не является селективной, гидрогель быстро набухает из-за осмоса, когда ионы высвобождаются внутри гидрогеля, и снова сжимается.

Катке, Кореваар и Каплан разработали новую теорию, объясняющую вышеупомянутое наблюдение. Эта теория гласит, что микроскопические взаимодействия между ионами и полиакриловой кислотой могут привести к набуханию гидрогеля, когда высвободившиеся ионы внутри гидрогеля распределяются неравномерно. Они назвали это «диффузиофоретическим набуханием гидрогелей». Более того, этот недавно открытый механизм позволяет гидрогелям набухать гораздо быстрее, чем это было возможно ранее.

Почему это изменение важно?

Каплан объяснил: «Мягкие и маневренные роботы в настоящее время изготавливаются из резины, которая «выполняет свою работу, но их формы изменяются гидравлически или пневматически. Это нежелательно, потому что в этих роботах сложно встроить сеть трубок для подачи в них воздуха или жидкости». .»

Представьте себе, сказал Каплан, сколько разных вещей вы можете делать 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, которые представляют собой гидрогель, современные мягкие роботы могут выполнять лишь ограниченное количество движений».

Как это может улучшить нашу жизнь?

Катке объяснил, что исследованный ими процесс позволяет гидрогелям менять форму, а затем возвращаться к исходной форме «значительно быстрее» в мягких роботах, которые 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 роботам требуются часы, чтобы изменить форму. Используя новый метод диффузиофореза, мягкие роботы размером до сантиметра смогут трансформироваться всего за несколько секунд, что является предметом дальнейших исследований.

Более крупные гибкие мягкие роботы, способные быстро реагировать, могут улучшить вспомогательные устройства в здравоохранении, функции «взять и разместить» в производстве, поисково-спасательных операциях, косметику, используемую для ухода за кожей, и контактные линзы.