Премьера под высоким давлением: Впервые мягкий робот нырнул в глубины Марианской впадины - самой глубокой точки на земле. Робот, изготовленный из мягкого полимера, создан по образцу глубоководной рыбы и движется вперед с помощью плавников, похожих на крылья. Хотя у него нет герметичных капсул или других защитных кожухов, он без проблем пережил погружение на глубину 10 900 метров, сообщают исследователи в журнале «Nature».
Глубокое море и особенно глубоководные впадины являются одними из последних областей нашей планеты, которые практически не исследованы. Огромное давление в тысячах метров воды затрудняет исследование этих темных, холодных царств. Подводные аппараты и подводные роботы должны быть защищены толстыми стальными стенами и методами выравнивания давления. Природа же приспособилась к экстремальным условиям и без такой защитной брони: даже в глубинах Марианской впадины водятся микробы, крабы и прочие морские обитатели.
Глубоководная рыба как образец для подражания
Теперь робот, созданный по образцу этих глубоководных обитателей, дебютировал в Марианской впадине: исследователи под руководством Гуоруй Ли из Чжэцзянского университета в Китае впервые сконструировали мягкого робота, способного противостоять давление воды на глубине более 10000 метров без металлической брони выдерживает. Моделью рыбоподобного робота длиной добрых 20 сантиметров послужила глубоководная рыба Pseudoliparis swirei, обитающая в Марианской впадине.
Считалось, что эта глубоководная рыба, похожая на головастика, длиной до 20 сантиметров существовала до 8 века. Наблюдаемая на глубине 100 метров, она считается самым глубоководным видом рыб в мире. «Чертеж этой рыбы включает в себя расщепленный, частично открытый череп и похожие на крылья хлопающие грудные плавники - мы приспособили механическую конструкцию нашего глубоководного мягкого робота к этому», - объясняют исследователи.
Ласты с мышцами из эластомеров
Как и у рыбы, у мягкого робота есть два плавника, похожих на крылья, которые перемещают его вверх и вниз по воде. Плавники приводятся в действие мышцами из диэлектрического эластомера - мягкого пластика со встроенными гибкими электродами, который расширяется и сжимается при изменении электрического напряжения. Передняя кромка килей выполнена из чуть более жесткого полимера, задняя часть - из тонкой силиконовой пленки.
Мягкий робот обязан своей устойчивостью к высокому давлению воды двум конструктивным особенностям: с одной стороны, его полимерная матрица из силикона пористая и достаточно мягкая, чтобы адаптироваться к давлению воды, аналогично ткани глубоководных обитателей. Исследователи также выбрали эластомер «мышц» таким образом, что он лишь частично теряет свою способность сокращаться под высоким давлением.
Децентрализованная электроника
Второй ключевой корректировкой является компоновка электроники. «Когда электронные компоненты расположены близко друг к другу в одной цепи, их твердые контактные поверхности повреждаются под высоким давлением», - объясняют Ли и его команда. «Мы устранили эти напряжения сдвига, используя децентрализованную конструкцию. При этом компоненты разделены на несколько меньших печатных плат и соединены только кабелями.“
Мягкий робот получает энергию от литий-ионной батареи, подключенной к трансформатору. Он также соединен с остальными компонентами гибкими кабелями, залитыми в полимер. Благодаря автономному источнику питания и интегрированному управлению робот может самостоятельно пробираться сквозь воду. «Этот самоходный робот устраняет необходимость в прочных бронированных транспортных средствах», - говорят исследователи.
Тест погружения в Марианской впадине
Мягкий робот доказал свою практическую пригодность в нескольких испытаниях, в том числе в Марианской впадине. Для этого классический подводный аппарат сначала доставил его на глубину 10 900 метров - чуть выше дна глубоководной впадины. Там софтбот активировался и начал махать крыльями. Несмотря на огромное давление и относительно мягкие плавники, робот сохранял ход плавников в течение 45 минут без каких-либо повреждений или функциональных сбоев.
В ходе другого плавательного испытания на глубине добрых 3200 метров в Южно-Китайском море исследователи позволили своему роботу преодолеть большее расстояние в свободном плавании и определили его скорость: чуть более пяти сантиметров в секунду. во-вторых, это не совсем быстро. Но ученые уверены, что смогут еще больше оптимизировать плавательные характеристики и маневренность своего мягкого робота.
База будущих поколений водолазных аппаратов
«Этот мягкий робот может свободно плавать даже при гидростатическом давлении в 110 мегапаскалей», - говорят Ли и его команда. «Это подчеркивает потенциал использования мягких и легких устройств в экстремальных условиях».
«Работа Ли и его коллег закладывает основу для будущих поколений прочных и надежных глубоководных исследовательских аппаратов», - заявляют они. Затем такие мягкие роботы могли бы самостоятельно исследовать и контролировать морское дно, собирать образцы и помогать очищать океаны. «По сути, они могли бы помочь ученым исследовать огромные неизведанные глубины океанов», - говорят Ласки и Калисти.