Группа исследователей из Сингапура и КНР создала первый в мире деревянный роботизированный захват, который использует природные свойства древесины для управления манипуляциями. Об этом сообщает официальный сайт Национального университета Сингапура. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Современные роботизированные захваты, как правило, изготавливаются либо из мягкого пластика, чтобы поднимать предметы, не повреждая их, либо (в условиях работы при повышенных температурах) из металла, который является жестким, массивным и более дорогостоящим материалом. Группа исследователей из Национального университета Сингапура (NUS) совместно со своими коллегами из Северо-восточного лесного университета в Харбине (Китай) создали деревянный роботизированный захват, который можно использовать в очень жаркой среде и при этом сохранять мягкость воздействия.
У этого инновационного деревянного роботизированного захвата есть еще одно достоинство: он управляется изменениями влажности, температуры и освещения в окружающей среде, что снижает потребление энергии.
«Древесина обладает отличными механическими свойствами, доступна в больших количествах и относительно дешева. В нашей последней работе мы показали, что роботизированные захваты на основе дерева могут преодолеть многие ограничения традиционных приводов и манипуляторов», – пояснил доцент Тан Сви Чинг, возглавляющий исследовательскую группу Департамента материаловедения и инженерии Колледжа дизайна и инженерии NUS.
Он добавил: «Наш деревянный роботизированный захват способен растягиваться и изгибаться в ответ на воздействие влаги, тепла и света. Он также обладает хорошими механическими свойствами, способен выполнять сложную деформацию, имеет широкий диапазон рабочих температур, низкую стоимость производства и биосовместимость. Эти уникальные особенности отличают его от обычных альтернатив».
Деревянный захват раскрывается при воздействии высокой влажности (выше 95% относительной влажности) и плотно закрывается – при повышении температуры окружающей среды выше 70°С или при воздействии солнечного излучения.
Исследовательская группа создала работоспособный прототип захвата, используя кусочки древесины канадского клена толщиной 0,5 мм. Куски дерева сначала обрабатывались хлоридом натрия, чтобы удалить лигнин – компонент, содержащийся в клеточных стенках растений. Помимо этого, большие поры в древесине были заполнены полимером, называемым полипирролом, который позволяет материалу легче поглощать тепло и свет.
Исследователи также разработали новый гигроскопичный гель на основе никеля для поглощения влаги. Одна сторона модифицированных деревянных деталей была покрыта таким гелем, а на другую сторону наклеивалась гидрофобная пленка. Эта разница влажного и сухого слоев позволяет древесине быстро поглощать водяные пары с одной стороны, что ускоряет изменение формы деревянного захвата при воздействии высокой влажности.
В конечном итоге заготовкам из дерева, с использованием специальных форм и при температуре 70°С, придавался вид захватов. При помещении в среду с относительной влажностью 95% (т.е. стимуляция увлажнения) гигроскопичный гель впитывал влагу, а деревянный захват растягивался и постепенно открывался наружу.
«При воздействии температуры окружающей среды выше 70°C деревянный захват начал изгибаться внутрь и достиг максимального изгиба при 200°C», – пояснила г-жа Бай Лулу, докторант факультета материаловедения и инженерии NUS и соавтор разработки.
Исследователи протестировали свой деревянный робо-захват при разной интенсивности света, при этом слой гидрофобной пленки был обращен к источнику света. Когда световое освещение повысило температуру поверхности захвата примерно до 42°C, влагопоглощающий гель начал терять воду, и захват начал изгибаться внутрь, прежде чем достичь значительного изгиба примерно при 57°C.
Деревянный захват оставался неповрежденным после 100 циклов приведения в действие, демонстрируя свою стабильность и надежность при длительном использовании.
«В наших экспериментах деревянный робо-захват также успешно поднимал вес в 200 граммов (что эквивалентно банке газировки) при температуре около 170°C. Это невозможно для большинства приводов, изготовленных из мягкого полимера. В зависимости от конструкции деревянный захват может выдерживать нагрузки, в 10 000 раз превышающие собственный вес захвата», – дополнил профессор Чен Вэньшуай из Северо-восточного лесного университета, еще один соавтор исследования.
Доцент Тан и его научная группа намерены исследовать возможности улучшения характеристик деревянного роботизированного захвата – например, сокращения времени изгиба (с примерно 2 минут в настоящее время), увеличения грузоподъемности, а также способностей захвата объектов различных форм и размеров. В качестве варианта практического применения исследователи надеются разработать улучшенную версию своего деревянного захвата, предназначив ее в помощь пожарным для проведения спасательных операций.