Инфракрасный свет заставил мягкого робота постоянно прыгать

Инженеры из США разработали двухсантиметрового мягкого робота, который может непрерывно прыгать по неровной поверхности и плавать под воздействием инфракрасного света. Этот робот представляет собой стержень из жидкокристаллического эластомера, свернутый в кольцо, с V-образным хвостом, образованным скрепленными концами. При воздействии инфракрасного света материал нагревается и скручивается. Когда достигается критическая деформация, хвост ударяет по поверхности, подбрасывая робота в воздух. В полете кольцо возвращается в исходное состояние, и цикл повторяется, достаточно лишь освещения. Подробности о принципе работы и результаты испытаний опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Об этом пишет портал N + 1.

Традиционно, прыгающие роботы накапливают упругую энергию через изгиб, растяжение или скручивание, а затем высвобождают её, создавая импульс для отрыва от земли. В мягкой робототехнике большинство таких устройств требуют ручного возврата в исходное состояние или сложного управления с изменяющимся внешним воздействием, например, периодической активации источника тепла.

Хотя существуют мягкие устройства, способные многократно прыгать при постоянном воздействии, их количество прыжков было ограничено. Например, полимерные полоски прекращали движение, как только высыхали.

Инженеры под руководством Цзе Иня из Университета Северной Каролины предложили решение этой проблемы, создав мягкого робота из термочувствительного жидкокристаллического эластомера. Концы стержня вставлены в изогнутую алюминиевую трубку, образуя жесткий V-образный хвост. Длина кольца составляет около двух сантиметров, а его толщина — около миллиметра. При освещении инфракрасным светом полимер нагревается и начинает скручиваться, накапливая деформационную энергию. Одновременно жесткий хвост отклоняется, поворачиваясь к центру кольца.

Когда деформация достигает критического значения, хвост резко сгибается и ударяет по земле, подбрасывая робота в воздух. Кольцо быстро раскручивается и восстанавливает свою форму еще до приземления. Этот процесс образует замкнутый цикл, который повторяется, пока горит свет. На суше один цикл занимает около 20 секунд, а в экспериментах робот совершил более 500 прыжков без вмешательства.

Регулируя угол хвоста и интенсивность света, разработчики смогли переключать робота между различными способами передвижения. При углах от 30 до 80 градусов кольцо подпрыгивает вертикально, достигая максимальной высоты около восьми сантиметров. При углах от 80 до 110 градусов робот начинает прыгать вверх и вперед, а при углах больше 110 градусов передвигается ползком. Чтобы избежать переворота в полете, инженеры добавили груз из фольги на переднюю часть кольца, смещая центр масс. Самые длинные прыжки — около 7,5 сантиметра — получились при угле 80 градусов с грузом, составляющим четверть массы робота.

Робот может передвигаться по естественным рельефам, включая траву и гравий, а с более тяжелым противовесом — прыгать по склону под углом до 30 градусов. Он также способен перепрыгивать через низкие барьеры и продолжать прыгать после столкновения с препятствием. Переворот не останавливает его работу, так как перевернутый робот функционирует так же, как и в исходном положении.

Кроме того, робот может плавать после доработки. Инженеры покрыли эластомер водоотталкивающим слоем и добавили оксид графена для лучшего поглощения света. На воде робот закручивается, а хвост работает как весло, толкая кольцо вперед. Достигнув берега, устройство может выбраться на сушу, упираясь хвостом в подводный склон. В настоящее время робот может двигаться только в пределах пятна света от инфракрасной лампы, но в будущем планируется использовать солнечный свет.

Мягкие прыгающие роботы могут помочь в изучении прыжков животных. В прошлом году инженеры и биологи воспроизвели прыжки нематод с помощью эластичных стержней. Модель робота длиной 12 сантиметров смогла подпрыгнуть на высоту до трех метров со скоростью тринадцать метров в секунду.