Исследовательская группа из Института материаловедения Кильского университета в Германии разработала новую систему материалов на основе гидрогеля, которая функционирует аналогично мышцам и обеспечивает лучшие характеристики для «мягкой» робототехники. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Роботы из металла и других твердых материалов уже широко используются в промышленности. Но они слишком жесткие и громоздкие для мелкой моторики и взаимодействия с людьми, например, в сфере ухода или медицины. Поэтому проводятся интенсивные исследования «мягких» роботов, изготовленных из эластичных материалов и в большинстве случаев вдохновленных способностями живых существ, таких как медузы, дождевые черви, рыбы или органы человеческого тела, чтобы гибко двигаться и успешно адаптироваться к окружающей среде.
Исследовательская группа из Института материаловедения Кильского университета разработала новую систему материалов на основе гидрогеля, которая функционирует аналогично мышцам. Мягкий материал можно контролируемо уменьшить и снова увеличить за короткое время, за счет чего, например, обеспечить двигательные функции для эластичной робототехники.
Гидрогели – чрезвычайно эластичные материалы. Они почти полностью состоят из воды и по механическим свойствам аналогичны тканям человеческого тела, а их специальные составы могут сжиматься до 90% в зависимости от окружающей среды. Благодаря тканеподобным свойствам гидрогеля возможно его применение, в частности, в области медицины, например, в роботизированной хирургии, создании искусственных тканей, а также в качестве имплантата для контролируемого высвобождения лекарств в организме человека.
«Разработанные нами гидрогели чутко реагируют на тепло. При температуре выше 32°C они выделяют воду и, таким образом, уменьшают свой объем. При понижении температуры гидрогель снова впитывает воду и возвращается к исходному объему», – объяснила д-р Маргарет Хаук, один из первых авторов исследования Кильского университета.
Процесс можно повторять любое количество раз, в результате чего получается своеобразное движение. По сути, эти гидрогели могут функционировать как человеческие мышцы. Это делает их применимыми в качестве компонентов привода для разработки новых типов «мягких» роботов. Но до сих пор весь процесс изменения объема требовал очень много времени – зачастую даже несколько недель.
Для решения этой проблемы исследователи из Киля встроили в свой гидрогель сеть крошечных трубочек. «Это позволяет ему уменьшаться и увеличиваться гораздо быстрее, чем раньше, без потери стабильности. Напротив, он может даже прилагать на 4000% больше силы», – пояснила Лена Сауре, аспирант кафедры функциональных наноматериалов.
«Наш подход следует примеру природы. Растения и животные имеют сетевые, иерархически структурированные системы каналов для эффективной транспортировки веществ и жидкостей, подобно капиллярной системе у людей. Используя этот принцип, мы можем улучшать свойства мягких материалов», – отметил ученый-материаловед доктор Фабиан Шютт, руководитель исследовательской группы Кильского университета.
Второе решение – чрезвычайно тонкое графеновое покрытие – делает эти трубки электропроводящими. За счет этого стало возможным нагревать гидрогель электрическим током и управлять транспортировкой воды одним нажатием кнопки. «Это решающий аспект, когда дело доходит до практического применения мягких приводов», – подчеркнул Шютт.
В конечном итоге все изменения объема гидрогелевого материала стали занимать всего несколько часов, а не недель, и исследователи работают над дальнейшим ускорением этого процесса. Это возможно с помощью направленного луча света, считает Лена Сауре, и дает дополнительное преимущество в том, что движением мягкой робототехники можно будет управлять по беспроводной сети.
Но уже сейчас новый тип гидрогеля может быть адаптирован для различных применений. Например, другая структура трубок или более высокая или более низкая концентрация графена изменяет время реакции или приложенные силы. Коллеги исследователей из Киля – специалисты Центра Гельмгольца Хереон и Технического университета Дрездена – уже рассчитали, как изменение структуры материала влияет на свойства гидрогеля.
«Это приближает нас к решающему шагу к созданию интеллектуальных высокопроизводительных материалов для эластичной робототехники», – отметил профессор Райнер Аделунг, руководитель кафедры и куратор исследовательской группы, подчеркивая значимость результатов.