В журнале Science Robotics на платформе Science.org опубликована статья австрийских учёных из Линцского университета имени Иоганна Кеплера. Работа носит название «3D-печать эластичных биогелей для современных многонаправленных, а также экстероцептивных мягких приводов». Данное исследование представляет собой значительный шаг в развитии нового перспективного направления современной робототехники – мягкой робототехники. В отличие от традиционной робототехники, которая преимущественно использует сталь и пластик, мягкая робототехника опирается на материалы, более схожие с биологическими тканями живых организмов. Мягкие роботы из гидрогеля, как правило, напоминают беспозвоночных животных: моллюсков и червей. Эти существа служат источником вдохновения для разработчиков, поскольку способны осуществлять движения без жёсткого каркаса или панциря.
Видеоролик о 3D-печати биогелей на основе желатина:
Достаточно вспомнить то, какие сложнейшие действия способны выполнять своими щупальцами наиболее интеллектуально продвинутые из беспозвоночных: осьминоги. И насколько всепроникающими они при этом оказываются за счёт отсутствия жёстких каркасных элементов. Ведь даже достаточно крупный осьминог оказывается в состоянии просочиться через узкую щель, или точными действиями всего тела открутить крышку банки, куда его посадили.
Естественно, создание подобных систем весьма сложно, в каком-то смысле не менее, а то и более сложно, чем постройка полноценных шагающих дроидов вроде широко известных четвероногих и двуногих роботов от Boston Dynamics. Здесь робототехника неотделима от механики сплошной среды, и потому «мягкое» её направление называется также continuum robotics.
Это открывает необычные и потенциально очень широкие возможности для применения мягкой робототехники: и как самостоятельных, полностью мягких машин, и как элементы робототехнических устройств, сочетающих в себе мягкие и «традиционные» жёсткие части.
В чём же заключается инновация от команды австрийских учёных из Линца? Им удалось подойти к решению проблемы баланса между устойчивостью и разлагаемостью вещества мягких роботов.
Если делать их, скажем, из силикона и полимеров, как обычно и происходит сейчас у большинства разработчиков — они будут весьма долговечны, но возникает проблема продолжения загрязнения и без того заваленной отходами среды. Если делать их из биоразлагаемых материалов — они стремительно растворялись, плесневели и биоразлагались иными способами. А значит — выходили из строя слишком быстро, в том числе в самые неподходящие моменты, что крайне неудобно для эксплуатации.
Австрийские исследователи соорудили пальце- или червеобразного мягкого робота посредством 3D-печати гидрогелем из веществ, доступных на многих домашних кухнях: сочетания желатина, сахара, лимонной кислоты и глицерина. Лимонная кислота за счёт изменения pH препятствует появлению на роботе плесени и деструкции корпуса микроорганизмами, а глицерин — быстрому растворению в водной среде или высыханию желатина.
Полученный биогель является очень гибким и способен к 5-6 кратному растяжению. Он дополняется мягким экзоскелетом из хлопковых нитей и пневмотрубок. В сочетании с датчиками из светодиодов и трубок получившийся «мягкий робот» способен не только изгибаться в разных направлениях, но и давать оператору точные данные о соприкосновениях с внешним миром, с помощью системы из одноплатного компьютера Raspberry Pi и контроллера… от древней игровой приставки 🙂
Система оказалась хорошо управляемой, достаточно мягкой и одновременно твёрдой для отбрасывания предметов, достаточно устойчивой к среде при биоразлагаемости, и при этом способной к получению обратной связи от внешнего мира. Это небольшой, но важный шаг на пути широкого и массового внедрения мягких робототехнических систем в самые широкие сферы деятельности.
А внедрять есть куда. В том числе в буквальном смысле: биоразлагаемые устройства с абсолютным минимумом неорганики (чему может поспособствовать как массовое производство микрочипов размерности 1-3 нм, так и переход к чипам на основе арсенида галлия, потенциально способным преодолеть фундаментальный для кремния порог в 1 нм) могут использоваться в том числе в форме микродронов для медицинских процедур непосредственно в тканях живых организмов.
Мягкие роботы и части роботов благодаря подсмотренным у моллюсков и червей конструктивным схемам могут, посредством систем гидравлических или пневматических полостей и трубок, совершать крайне сложные действия, в том числе невозможные для «жёстких» конструкций из металла и пластика. При этом их манипуляторы и корпуса гораздо безопаснее для сосуществования с человеком, чем жёсткие варианты — способные при малейшем сбое ранить или убить оказавшееся рядом живое существо.
Ну а изобретение учёных из Линца, помимо устойчивости и экологичности, упрощает задачу 3D-печати мягких роботов из созданной ими смеси: если соблюдать температурный режим, она оказывается даже проще и быстрее полимерной. Кроме того, из одного и того же полученного объёма их варианта гидрогеля можно заново печатать объект до пяти раз, прежде чем его можно отправить на утилизацию посредством биоразложения в водной среде. Предложенный ими подход может привести к появлению всё более дешёвых, надёжных и удобных в производстве мягких и гибридных роботов, что уже в ближайший десяток лет имеет шансы на массовое распространение.
К тому же именно гибридная робототехника, то есть, мягкая в сочетании с традиционной, может через некоторое время привести к появлению полноценных человекообразных роботов. Собственно, классические андроиды научной фантастики часто и представляют собой нечто подобное: достаточно вспомнить персонажей «Чужих» и многих, многих других.
Автор: Алексей Костенков
Источник: https://habr.com/
