Автор: Этиидо Уко
«Древнее японское искусство оживляет беспозвоночного робота!» — заголовок, больше похожий на аннотацию к фантастическому фильму. Но на деле он точно описывает работу инженеров Принстонского университета, создавших робота, который движется без единого мотора и без единой шестерёнки — лишь за счёт тепла и принципов оригами. Их мягкая робототехническая система опирается на сочетание чувствительных к нагреву передовых материалов, гибкой встроенной электроники и тщательно продуманных складчатых структур, которые и обеспечивают движение, позволяя отказаться от традиционных механических компонентов.
Мягкая робототехника — направление, утверждающее, что роботы могут быть «мягкими» и податливыми, — сосредоточено на создании машин из высокогибких, деформируемых материалов и систем. Такая податливость делает мягких роботов особенно подходящими для задач, с которыми жёсткие механизмы справляются плохо: манипулирования хрупкими объектами, передвижения в тесных пространствах, работы в роли медицинских имплантов или систем доставки лекарств внутри человеческого тела.
Проблема в том, что большинство мягких роботов всё ещё зависят от моторов, актуаторов или внешних пневматических установок, которые обеспечивают движение, но ограничивают их размеры, массу и степень «мягкости». Команда Принстона решила эту задачу, объединив две области, которые почти никогда не пересекаются: материаловедение и инженерное оригами.
В основе их конструкции лежит особый полимер — жидкокристаллический эластомер, который, в отличие от обычных гибких материалов, обладает внутренней упорядоченностью молекул. Используя модифицированный 3D‑принтер, исследователи задавали ориентацию этих молекул зона за зоной прямо в процессе печати, формируя участки, по‑разному реагирующие на нагрев.
Располагая такие зоны в определённых конфигурациях, команда фактически «встраивала» шарниры прямо в материал. При нагревании эти шарниры сокращались предсказуемым образом, заставляя структуру складываться и раскладываться по заранее запрограммированной последовательности.
Точная регулировка того, какие именно зоны нагреваются, — это уже область электроники. Команда встроила гибкие печатные платы с нагревательными элементами прямо в шарниры, причём не после печати, а в ходе самого процесса. Такой подход упрощает изготовление и делает систему более компактной. Встроенные датчики температуры передают данные обратно в управляющее ПО, которое компенсирует небольшие ошибки, накапливающиеся при многократных циклах складывания и раскладывания.
«Думаю, наш главный вклад в том, что мы показали: можно интегрировать сложную систему с локальным тепловым управлением», — говорит Дэвид Бершадский, один из авторов идеи и участник проекта. — «Мы можем выбирать, какие участки активировать, просто управляя тем, где именно происходит нагрев».
Чтобы продемонстрировать работоспособность своей идеи, исследователи создали журавлика — классическую фигуру оригами, — который по команде взмахивает крыльями. Журавлик многократно складывался и расправлялся, каждый раз возвращаясь к исходной форме без заметного износа или деформаций. До полноценного робота ему далеко, но сам принцип он доказывает безупречно.
Отказ от механических приводов открывает для мягкой робототехники целый новый мир возможностей. Пока что система остаётся экспериментальной и демонстрируется лишь в контролируемых лабораторных условиях. Но её конструкция уже ориентирована на реальное производство: используются коммерчески доступные материалы и масштабируемые методы изготовления.
Результаты работы команда опубликовала в журнале Advanced Functional Materials.
Оригинал: New Atlas
