Представьте себе робота размером с лист, скользящего по поверхности пруда. Он не тонет, не намокает, но движется. Немного похоже на водомерок, этих длинноногих насекомых, которые, кажется, легко скользят по воде. Но это не насекомое: это машина толщиной с волос, построенная прямо на воде. До недавнего времени создание таких хрупких водных роботов было настоящим кошмаром: гибкие плёнки создавались на стекле, затем снимались (возможно, ломаясь) и переносились в воду. Хрупкий процесс, который часто терпел неудачу. Теперь же… ГидроСпред, и сама вода становится рабочим столом.
Когда стекло становится врагом
Баосин Сюй, профессор кафедры машиностроения вУниверситет Вирджинии, годами задавался вопросом, почему самые сложные водные роботы ломаются ещё до того, как соприкоснутся с водой. Проблема? Традиционное производство. Сверхтонкие пленки, необходимые для создания мягких плавучих устройств, создавались на жестких поверхностях, таких как стекло, а затем аккуратно снимались и переносились в воду.Каждый шаг был возможностью испортить материал, испортить недели работы и начать заново.
«Изготовление плёнки непосредственно на жидкости обеспечивает нам беспрецедентный уровень интеграции и точности», — объясняет Сюй. «Вместо того, чтобы создавать устройство на жёсткой поверхности, а затем переносить его, мы позволяем жидкости выполнять всю работу, обеспечивая идеально гладкую платформу, которая снижает количество сбоев на каждом этапе». Исследование, опубликованное в Наука развивается Это доказывает, что интуиция работает: капли жидкого полимера естественным образом расширяются на поверхности воды, образуя однородные, ультратонкие плёнки. Лазер гравирует их с точностью до миллиметра. Никакого стекла, никаких переносов, никаких сколов.
Метод HydroSpread использует поверхностное натяжение воды как естественную опору. Когда капля жидкого полимера (точнее, ПДМС) соприкасается с водой, она самопроизвольно растекается, образуя тончайшую плёнку. По словам исследователей из Университета ВирджинииПроцесс стабилизации занимает около 10 минут, а затем 8 часов для полного затвердевания. Результат? Плавающая плёнка, из которой можно вырезать сложные фигуры: круги, полосы и даже логотип университета.
HydroFlexor и HydroBuckler: ходячие прототипы
Команда Сюй построила два прототипа для демонстрации возможностей HydroSpread. Первый, ГидроФлексор, использует движения, похожие на плавники, чтобы грести по поверхности. Второй, ГидроБаклер, «ходит» на сгибающихся ногах, имитируя походку водомерок. В лаборатории устройства питаются от инфракрасного нагревателя, подвешенного над ними. При нагревании плёнок слоистая структура изгибается или деформируется, создавая движение. Включая и выключая нагрев, водные роботы регулируют свою скорость и направление.
Это физика, применяемая разумно. Скаты, эти насекомые, которые танцуют на воде, не тонув, они оказывают максимальную силу чуть ниже порога что нарушило бы поверхностное натяжение (около 144 мН/м). водные роботы Сюй делает то же самое: они используют изогнутые ноги, покрытые супергидрофобным материалом, распределённым таким образом, чтобы никогда не прокалывать поверхность. Вращательное движение ног во время «прыжков» или ходьбы Увеличивает силу, которую вы можете приложить, не утонув, на 42%.
За пределами водных роботов: будущее за жидкостями
Области применения HydroSpread выходят далеко за рамки создания биоинспирированных водных роботов. Носимые медицинские датчики, гибкая электроника, устройства мониторинга окружающей среды — все эти устройства должны быть тонкими, мягкими и прочными в условиях, где жёсткие материалы не выдерживают нагрузки. Возможность создавать тонкие плёнки, не повреждая их, может кардинально изменить подход к разработке лёгких и адаптируемых технологий. Как говорится в нашей недавней статьеИдея использования жидкостей в качестве активных компонентов производит революцию в мягкой робототехнике.
Будущие версии этих водных роботов могут быть разработаны так, чтобы реагировать на солнечный свет, магнитные поля или крошечные встроенные нагреватели. Это открыло бы путь к автономные роботы, способные исследовать затопленные территории, отслеживать уровень загрязняющих веществ или собирать пробы воды в опасных зонах. Целые флотилии миниатюрных устройств скользят по поверхности, невидимые и неутомимые.
Работа Сюй является частью многолетнего исследования. С 2007 года, когда Лаборатория наноробототехники Университета Карнеги-Меллона представила первые прототипы, созданные по образцу водомерок, и до недавнего времени водные роботы из Университет штата Вашингтон (весом 55 миллиграммов и скоростью 6 миллиметров в секунду) биоинспирированная робототехника достигла огромных успехов. Но никто до этого не решил проблему прямого производства жидкостей.
Водные роботы ограничены только технологиями. На данный момент
На данный момент HydroFlexor и HydroBuckler находятся в стадии лабораторных прототипов. Они не самодостаточны и зависят от внешних источников тепла или света. Но их направление ясно. Следующим шагом станет интеграция миниатюрных батарей или систем сбора энергии. (представьте себе небольшие солнечные панели или каталитические топливные элементы). Когда эти водные роботы Они станут полностью автономными и смогут работать часами или днями без вмешательства человека.
Сюй и его команда, финансируемые Национальный научный фонд и программа 4-VA продолжают совершенствовать метод. Институциональная поддержка важна: она означает, что кто-то верит, что эта технология может выйти за рамки лаборатории и достичь реального мира. И, возможно, она появится раньше, чем ожидалось.
Вода — это уже не просто среда, где плавают роботы. Она стала поверхностью, на которой они строятся, идеальной опорой для нового поколения мягких машин. Если насекомое может ходить по воде, почему робот не должен? Ответ Сюй прост: теперь он может.
