Исследователи из японского университета Ямагата разработали полностью напечатанный на 3D-принтере привод, который может стать основой мягкого робота, похожего на медузу.
Используя 3D-принтер с УФ-излучением, команда ученых смогла превратить недавно синтезированный гидрогель с двойной сетью частиц (P-DN) в механизм, который сокращается подобно мышцам человека. лунная медуза. Основываясь на своем новом устройстве, ученые намерены создать целого водного робота с потенциальными приложениями для наблюдения за морской дикой природой.
Эко-преимущества водного бота
Преимущества разработки мягких роботов, способных имитировать поведение своих органических собратьев, заключаются не только в ценности новизны. У передовых устройств есть потенциал, чтобы работать вместе с людьми, отправляясь туда, куда мы не можем, в рамках управления стихийными бедствиями, охраны океана или даже приложений для здравоохранения.
Такие роботы особенно перспективны под водой, где они могут собирать дополнительную информацию об океане и способствовать достижению Целей ООН в области устойчивого развития (ЦУР). Один из лучших способов добиться этого - создать мягкие материалы, имитирующие движение естественной фауны, но до сих пор даже у 3D-печатных ботов, вдохновленных осьминогом, были металлические тела, что потенциально делало их опасными для морской жизни.
В то время как многие существующие боты приводятся в действие «ногами», сделанными из силиконовых эластомеров, гидрогели предлагают менее навязчивую альтернативу, поскольку они уже состоят примерно на 90% из воды. Этот состав также аналогичен тому, что встречается в природе у медуз, которым требуется значительно меньше энергии для маневра, чем другим водным существам, что потенциально делает их идеальной основой для удобного для морской среды робота-монитора.
Создание нового привода
Прежде чем команда Yamagata приступила к 3D-печати своего привода, они синтезировали новый сшитый гидрогель P-DN, состоящий из твердого и хрупкого первого полимера и более мягкого второго слоя. Материал характеризовался высоким содержанием воды, повышенной прочностью и отличными печатными свойствами, образуя прочную, но пластичную основу для их устройства.
Когда состав был готов, ученые использовали 3D-принтер с УФ-излучением, чтобы полимеризовать его в три отдельные части: разъем, основание и коробку. Теоретически «база» и «коробка» предназначены для деформации за счет нагнетания воздуха, создавая сокращения, необходимые для обеспечения движения, в то время как «соединитель» просто прикрепляет силиконовую трубку к корпусу привода.
В целях тестирования группа напечатала на 3D-принтере пять различных прототипов и обнаружила, что эластичность геля сильно зависит от типа используемого мономера и достигнутого уровня сшивания. Точно так же актуаторы были изготовлены с толщиной слоя 0,4-0,5 мм, поскольку более толстые слои демонстрировали вздутие, вызывающее несоответствие по всей детали.
Во время компрессионных испытаний, когда воздух нагнетался в привод через трубку, ученые обнаружили, что они могут контролировать его деформации, регулируя модуль упругости его составных частей. Устройство также продемонстрировало тот же коэффициент сжатия, что и у сплюснутой лунной медузы, что потенциально делает его идеальной основой для полной роботизированной копии.
В будущем исследователи считают, что улучшение взаимосвязи между толщиной стенки привода и его траекторией станет ключом к разработке улучшенных итераций устройства. Однако на данный момент команда Yamagata намерена интегрировать свои приводы в нового робота, вдохновленного медузой, с конечной целью использовать его в приложениях по сохранению морской среды.
Мягкая робототехника, вдохновленная животными
Хотя роботы для 3D-печати для целей мониторинга окружающей среды - довольно благородное дело, оно ни в коем случае не является чем-то новым, и недавно было разработано несколько подобных ботов.
Ученые из Флоридского Атлантического университета (FAU) и Управления военно-морских исследований США напечатали на 3D-принтере мягкую роботизированную медузу, способную следить за хрупкими коралловыми рифами. Устройство состоит из восьми гидравлических приводов, которые были специально разработаны, чтобы не наносить ущерб хрупким биологическим экосистемам.
В том же духе группа из Гарвардского университета создала автономного мягкого робота Octobot, напечатанного на 3D-принтере. Как и приводы команды Ямагата, октобот основан на пневматике, но вместо использования кислорода он преобразует небольшое количество жидкого топлива в газ, чтобы надуть руки, как воздушный шар.
Мягкие роботы также имеют важные приложения для мониторинга на суше, и инженеры Технологического института Джорджии создали напечатанного на 3D-принтере «ленивца» для присмотра за дикой природой в Ботаническом саду Атланты. Устройство перемещается по кабелю, натянутому между деревьями, для наблюдения за температурой, погодой и уровнями CO2 среды обитания ниже.
Выводы исследователей подробно описаны в их статье под названием «Полностью напечатанный на 3D-принтере гидрогелевый привод для мягких роботов-медуз». В соавторстве с Юки Такишима, Казунари Йошида, Аджит Хосла, Масару Каваками и Хидэмицу Фурукава.