Мягкого робота научили отбрасывать ноги

Инженеры из Йельского университета разработали новый тип обратимого соединения для мягких роботов, который позволяет им отбрасывать конечности — например, при застревании или для объединения нескольких модулей. Соединение основано на материале, который состоит из термопластичного эластомера в силиконовой матрице, и может быть многократно разъединено и вновь соединено путем нагрева. В качестве демонстрации технологии разработчики создали четвероногого пневматического робота, который может отбрасывать ноги, и группу из трех ползающих роботов, которые объединяются в единого более крупного робота для преодоления препятствий. Работа опубликована в Advanced Materials.

В природе существует множество примеров адаптации живых организмов к изменяющимся условиям среды с помощью изменения морфологии тела. Например, некоторые ящерицы, крабы и насекомые могут отбрасывать конечности, если им грозит опасность, а муравьи способны временно объединяться в группы для преодоления препятствий. В робототехнике также давно используется концепция модульности, когда роботы могут отделять некоторые свои части, или наоборот, объединять несколько отдельных модулей в одно устройство с новой функциональностью.

Однако на сегодняшний день чаще всего модульность применяется в проектах роботов из твердых материалов. В случае же мягких роботов перед разработчиками возникает проблема выбора подходящего типа соединения модулей. В подавляющем большинстве случаев они основаны либо на механических элементах, либо на магнитах, а потому неудобны в использовании, снижают прочность и мягкость конструкции робота.

Инженеры под руководством Ребекки Крамер-Ботильйо (Rebecca Kramer-Bottiglio) из Йельского университета предложили новый тип разъемного соединения для мягких роботов, который лишен этих недостатков. В его основе лежит двусоставная термопластичная пена — материал на основе термопластичного эластомера стирол-изопрен блок-кополимера, который заполняет силиконовую матрицу. При нагреве примерно до 120 градусов Цельсия термопласт разжижается, что позволяет легко разъединять и соединять две части, покрытые таким двусоставным материалом. При охлаждении же до комнатной температуры термопласт застывает, образуя приблизительно через 10 минут прочное и гибкое соединение.

Механические испытания показали, что новое соединение обладает высокой прочностью и гибкостью. Соединение выдерживает нагрузку почти в 69 килопаскалей при комнатной температуре. А при нагреве его прочность снижается более чем в 30 раз, что позволяет легко разъединить два компонента. Также было показано, что соединение на основе биконтинуальной термопластичной пены может выдерживать более 250 циклов соединения и разъединения, сохраняя после этого более 50 процентов от первоначальной прочности.

Для демонстрации возможностей соединения инженеры создали роботов двух типов. Первый — это четвероногий пневматический робот, оснащенный четырьмя соединениями между конечностями и туловищем. В ходе эксперимента робот передвигался по неровной поверхности, имитирующей естественную среду. Когда одна из конечностей робота оказалась зажата под камнем, робот смог отбросить ногу, продолжив движение на оставшихся трех.

Во втором эксперименте разработчики использовали группу из трех ползающих роботов, оснащенных соединениями из термопластичной пены на концах. Каждый робот мог самостоятельно передвигаться, но в одиночку был не способен преодолеть широкую щель на пути. Однако, объединившись в единую конструкцию, три робота смогли совместно преодолеть это препятствие. После этого соединения были вновь нагреты, роботы разъединились и продолжили движение независимо друг от друга.

Созданные инженерами из Китая роботы-улитки тоже способны объединяться, чтобы справиться с возникающими на пути препятствиями, которые они не могут преодолеть по одиночке.