Ученые совершили прорыв в робототехнике: робот-оборотень, который может переключаться между жидким и металлическим состояниями, чтобы перемещаться в сложных условиях без ущерба для прочности.
Поскольку они могут быть как мягкими, так и жесткими, маленькие роботы, похожие на морских огурцов, могут преодолевать ограничения роботов, которые являются только одним или другим, и, таким образом, могут обеспечить большую полезность в таких областях, как сборка электроники и даже медицинские приложения.
Исследователи заставили роботов преодолевать полосы препятствий, удалять или доставлять объекты в модель человеческого желудка и даже разжижаться, чтобы выбраться из клетки, прежде чем снова принять свою первоначальную гуманоидную форму.
«Предоставление роботам возможности переключаться между жидким и твердым состояниями наделяет их большей функциональностью», — говорит инженер Ченгфэн Пан из Китайского университета Гонконга в Китае.
Есть много потенциальных применений для небольших роботов, которые могут перемещаться по местам, слишком маленьким или запутанным для людей, чтобы справиться с обычными инструментами, от привередливых ремонтных работ до адресной доставки лекарств.
Но твердые материалы не подходят для навигации в ограниченном пространстве или на узких углах, в то время как мягкие, более гибкие роботы, как правило, слабы и ими труднее управлять.
Чтобы найти компромисс, группа исследователей под руководством Пана и его коллеги Цинъюань Ван из Университета Сунь Ятсена в Китае обратилась к природе как к источнику вдохновения.
Такие животные, как морские огурцы, могут изменять жесткость своих тканей, чтобы повысить грузоподъемность и ограничить физические повреждения, в то время как осьминоги могут изменять жесткость своих щупалец для маскировки, манипулирования объектами и передвижения.
Чтобы сконструировать робота, способного делать что-то подобное, исследователям понадобился нетоксичный материал, способный легко переключаться между мягким и жестким состояниями при температуре окружающей среды.
Они обратились к галлию, мягкому металлу, температура плавления которого составляет 29,76 градусов по Цельсию (85,57 градусов по Фаренгейту) при стандартном давлении — всего на несколько градусов ниже средней температуры человеческого тела. Вы можете расплавить галлий, просто держа его в руке.
Исследователи внедрили в матрицу галлия магнитные частицы, создав то, что они назвали «магнитоактивной машиной перехода твердой фазы в жидкую».
«Магнитные частицы здесь играют две роли», — говорит инженер-механик Кармел Маджиди из Университета Карнеги-Меллона, один из ведущих авторов статьи группы.
«Во-первых, они делают материал чувствительным к переменному магнитному полю, поэтому вы можете с помощью индукции нагревать материал и вызывать фазовый переход. Но магнитные частицы также придают роботам подвижность и способность двигаться в ответ на изменение магнитное поле.»
Проверив, является ли переход из твердого состояния в жидкое обратимым (так оно и было), исследователи провели своих маленьких роботов через ряд тестов. Роботы могли перепрыгивать через небольшие рвы, преодолевать препятствия и даже разделяться для выполнения совместных задач, перемещая объекты, прежде чем объединяться и снова затвердевать.
У них даже была маленькая гуманоидная версия — в форме фигурки Лего — тающая, чтобы сбежать из маленькой тюремной камеры, просачивающаяся через решетку и переформировавшаяся с другой стороны в честь сцены из фильма «Терминатор 2».
Затем команда исследовала практические приложения. Они создали модель человеческого желудка и попросили робота проглотить и удалить небольшой предмет, содержащийся в нем — можно представить, что это удобный способ извлечения проглоченных батареек, например, — а затем выполнить обратную операцию, доставив объект по пути. команда надеется, что это может доставить наркотики.
Для ремонта цепей роботы могли перемещаться по цепям и плавиться на них, выступая в роли проводника и припоя; и даже действовать как застежка, просачиваясь в резьбовые гнезда для винтов и затвердевая, выполняя функцию винта без необходимости кого-либо закреплять его на месте.
Для реальных приложений машина фазового перехода потребует некоторой настройки. Например, поскольку человеческое тело имеет более высокую температуру плавления, чем чистый галлий, робот, предназначенный для биомедицинских целей, может иметь матрицу из сплава на основе галлия, которая повысит температуру плавления при сохранении функциональности.
Это, по словам исследователей, еще предстоит подробно изучить.
«Будущая работа должна дополнительно изучить, как этих роботов можно использовать в биомедицинском контексте», — говорит Маджиди .
«То, что мы показываем, — это всего лишь разовые демонстрации, доказательства концепции, но потребуется гораздо больше исследований, чтобы понять, как это на самом деле можно использовать для доставки лекарств или для удаления посторонних предметов».
Об авторе
