Новый мягкий робот трансформируется из наземного в воздушное транспортное средство с помощью жидкого металла

Прочитано: 1317 раз(а)


Представьте себе небольшой автономный автомобиль, который может двигаться по земле, останавливаться и превращаться в квадрокоптер. Роторы начинают вращаться, и машина улетает. Посмотрев на него повнимательнее, как вы думаете, что бы вы увидели? Какие механизмы заставили его превратиться из наземного транспортного средства в летающий квадрокоптер? Вы можете представить себе шестерни и ремни, возможно, ряд крошечных серводвигателей, которые тянут все его части на место.

Если бы этот механизм был разработан командой Технологического института Вирджинии под руководством Майкла Бартлетта, доцента кафедры машиностроения, вы бы увидели новый подход к изменению формы на уровне материала. Эти исследователи используют резину, металл и температуру, чтобы трансформировать материалы и закреплять их на месте без двигателей или шкивов. Работа команды опубликована в журнале Science Robotics. Соавторами статьи являются аспиранты Дохгю Хван и Эдвард Дж. Бэррон III, а также исследователь с докторской степенью АБМ Тахидул Хак.

Изменение и восстановление формы

Природа богата организмами, которые меняют форму для выполнения различных функций. Осьминог резко меняет форму, чтобы двигаться, есть и взаимодействовать с окружающей средой; люди напрягают мышцы, чтобы выдерживать нагрузки и сохранять форму; и растения двигаются, чтобы улавливать солнечный свет в течение дня. Как вы создаете материал, который выполняет эти функции, чтобы создавать новые типы многофункциональных трансформирующихся роботов?

«Когда мы начали проект, нам нужен был материал, который мог бы делать три вещи: изменять форму, сохранять эту форму, а затем возвращаться к исходной конфигурации, и делать это в течение многих циклов», — сказал Бартлетт. «Одна из задач заключалась в том, чтобы создать материал, который был бы достаточно мягким, чтобы резко менять форму, и в то же время достаточно жестким, чтобы создавать адаптируемые машины, которые могли бы выполнять различные функции».

Чтобы создать структуру, которую можно было бы трансформировать, команда обратилась к киригами, японскому искусству создания фигур из бумаги путем вырезания. (Этот метод отличается от оригами, в котором используется складывание.) Наблюдая за прочностью этих узоров киригами в резине и композитах, команда смогла создать материальную архитектуру повторяющегося геометрического узора.

Затем им нужен был материал, который держал бы форму, но позволял бы стирать эту форму по требованию. Здесь они представили эндоскелет из сплава с низкой температурой плавления (LMPA), встроенный в резиновую оболочку. Обычно, когда металл растягивается слишком сильно, металл постоянно изгибается, трескается или растягивается в фиксированную, непригодную форму. Однако с помощью этого специального металла, встроенного в резину, исследователи превратили этот типичный механизм разрушения в силу. При растяжении этот композит теперь будет быстро сохранять желаемую форму, что идеально подходит для мягких трансформируемых материалов, которые могут мгновенно становиться несущими.

Наконец, материал должен был вернуть конструкции ее первоначальную форму. Здесь команда включила мягкие, похожие на усики нагреватели рядом с сеткой LMPA. Нагреватели превращают металл в жидкость при температуре 60 градусов по Цельсию (140 градусов по Фаренгейту), или 10 процентов от температуры плавления алюминия. Эластомерная оболочка удерживает расплавленный металл на месте, а затем возвращает материал в первоначальную форму, обращая растяжение вспять, придавая композиту то, что исследователи называют «обратимой пластичностью». После остывания металл снова способствует сохранению формы конструкции.

«Эти композиты имеют металлический эндоскелет, встроенный в резину с мягкими нагревателями, где разрезы, вдохновленные киригами, определяют массив металлических балок. Эти разрезы в сочетании с уникальными свойствами материалов были действительно важны для быстрого преобразования, фиксации формы, а затем вернуться к исходной форме», — сказал Хван.

Исследователи обнаружили, что этот композитный дизайн, вдохновленный киригами, может создавать сложные формы, от цилиндров и шаров до неровной формы нижней части перца. Изменение формы также может быть достигнуто быстро: после удара мячом форма изменилась и зафиксировалась менее чем за 1/10 секунды. Кроме того, если материал ломался, его можно было несколько раз залечить, расплавив и переформировав металлический эндоскелет.

Один дрон для земли и воздуха, один для моря

Применение этой технологии только начинает раскрываться. Объединив этот материал с бортовой мощностью, управлением и двигателями, команда создала функциональный дрон, который самостоятельно трансформируется из наземного в воздушное транспортное средство. Команда также создала небольшую развертываемую подводную лодку, используя преобразование и возвращение материала для извлечения объектов из аквариума, царапая днище подводной лодки по дну.

«Мы в восторге от возможностей, которые этот материал представляет для многофункциональных роботов. Эти композиты достаточно прочны, чтобы выдерживать нагрузки от двигателей или силовых установок, но при этом могут легко изменять форму , что позволяет машинам адаптироваться к окружающей среде», — сказал Бэррон.

Заглядывая вперед, исследователи предполагают, что трансформирующиеся композиты будут играть роль в развивающейся области мягкой робототехники для создания машин, которые могут выполнять различные функции, самовосстанавливаться после повреждений для повышения устойчивости и стимулировать различные идеи в человеко-машинных интерфейсах и носимых устройствах.

Новый мягкий робот трансформируется из наземного в воздушное транспортное средство с помощью жидкого металла


Новости партнеров