Команда исследователей из Сеульского национального университета разработала искусственную мышцу, способную менять форму, восстанавливаться после повреждений и пригодную для многоразового использования.
Новый диэлектрический эластомерный актуатор (ДЭА) способен открыть новые перспективы в создании адаптивных роботов и гибких устройств следующего поколения. В нем используется магнитная жидкость с фазовым переходом: при комнатной температуре материал ведет себя как твердое тело, но при нагревании или воздействии магнитного поля становится текучим. Это позволяет внутренним электродам актуатора менять свою конфигурацию даже после того, как устройство было полностью собрано.
Ученые поясняют, что ДЭА — это эластичные устройства, преобразующие электрическую энергию в механическое движение. Их часто называют искусственными мышцами благодаря способности к быстрым и точным движениям. Кроме того, они уже широко применяются в системах тактильной обратной связи, носимой электронике и мягких роботизированных захватах для бережного манипулирования хрупкими предметами.
Однако традиционные версии таких актуаторов имеют существенный недостаток: они ограничены фиксированной конфигурацией электродов, задаваемой еще на этапе производства. Иными словами, после сборки они могут выполнять лишь одно заранее заданное действие. Из-за этого инженерам приходится полностью перепроектировать аппаратную часть под каждую новую задачу или при изменении условий эксплуатации.
Новая система была разработана как раз для решения этой проблемы. Она позволяет электродам разделяться, сливаться воедино и перемещаться в трехмерном пространстве прямо во время работы устройства.
По словам исследователей, благодаря этому один и тот же актуатор может менять свои функции в режиме реального времени, выполняя различные действия: например, изгибаться, расширяться или замыкать электрические цепи.
В частности, электрод из магнитной жидкости можно перевести в жидкое состояние, изменить его положение с помощью магнитного поля и разделить на несколько секций. Это позволяет одному эластичному компоненту робота выполнять множество различных функций без необходимости менять его конструкцию.
По мнению авторов разработки, такой подход позволит существенно упростить производство в сфере мягкой робототехники, где сейчас для узкоспециализированных задач часто приходится создавать отдельные устройства. Вместо того чтобы заменять компоненты, будущие роботы смогут самостоятельно изменять свою конфигурацию в зависимости от требуемой функции.
«Данное исследование — настоящий прорыв: благодаря инновациям в структуре частиц и полимеров нам удалось превратить традиционно статичные и пассивные электроды в «живые, программируемые элементы». Эта технология самовосстанавливающихся электродов с изменяемой геометрией станет важнейшим фундаментом для создания долговечной мягкой робототехники нового поколения», — отмечают авторы проекта.
Исследователи добавили, что сконструировали актуатор таким образом, чтобы он мог восстанавливаться после механических порезов или электрических пробоев. Например, поврежденный участок электрода можно «вылечить» за счет соседнего материала: его переводят в жидкое состояние, чтобы заново соединить разорванные пути или пустить ток в обход вышедших из строя участков.
Иными словами, роботизированная система сможет продолжать работу даже после тех повреждений, которые гарантированно вывели бы из строя традиционные эластичные актуаторы. Подобное свойство окажется особенно полезным в суровых промышленных условиях, где механизмы подвергаются сильному износу, ударам или электрическим перегрузкам.
Что немаловажно, по окончании срока службы устройства материал электродов можно извлечь в жидком виде и впоследствии закачать в новую систему для повторного использования.
По словам разработчиков, в будущем этот материал найдет применение в создании роботизированных манипуляторов с естественной моторикой движений, самовосстанавливающихся механизмов, дисплеев с изменяемой геометрией и гибкой электроники, которую после поломки можно будет не выбрасывать, а использовать заново.