Новые гибкие актуаторы позволили колесному роботу трансформироваться в квадрокоптер

Китайские инженеры разработали миниатюрные гибкие актуаторы, которые могут плавно и непрерывно деформироваться, а затем фиксироваться в новом положении без затрат энергии. Актуатор представляет собой многослойный материал, в котором слой из жидкокристаллического полимера служит для программируемой деформации, а полимер с памятью формы для ее фиксации. Оба процесса управляются электротермически и независимо друг от друга. На основе этого материала разработчики создали несколько базовых блоков, из которых собрали несколько демонстрационных устройств, в том числе трехколесный автомобиль и миниатюрный квадрокоптер, способный превращаться в четырехколесного робота. Статья опубликована в журнале Nature Machine Intelligence.

Роботы, специализирующиеся на определенном типе движения, не могут одинаково эффективно работать во всех условиях. К примеру, дроны, обладающие высокой свободой передвижения, быстро расходуют энергию в полете, а более экономичные роботы с колесами или ногами эффективно передвигаются в основном только по ровной местности. Чтобы преодолеть эти ограничения, инженеры разрабатывают гибридные системы, способные переключаться между различными способами передвижения. Например, инженеры и Калифорнийского технологического института создали в 2023 году робота-трансформера, который может ездить как четырехколесный ровер, летать как квадрокоптер и ходить как четвероногий робот.

Этот робот был довольно крупным — его масса составляла почти шесть килограмм, а для переключения между разными режимами в нем использовались сервомоторы. Однако при миниатюризации перед инженерами возникают дополнительные трудности: с уменьшением размеров использовать сервоприводы или, например, пневматические системы становится затруднительно — они требуют много места, имеют большую массу и теряют эффективность. Поэтому инженеры пытаются использовать актуаторы, основанные на других принципах.

Один из вариантов предложили китайские разработчики под руководством И Хуэй Чжана (Yihui Zhang) из Университета Цинхуа. Они создали новый тип гибких актуаторов под названием CMA (Continuously Morphable Actuator), которые способны непрерывно изменять форму в трех измерениях и удерживать ее без дополнительных затрат энергии. Работа CMA-актуатора основана на двух типах материалов: жидкокристаллических эластомерах (LCE), способных сжиматься при нагреве выше определенной температуры, и полимеров с памятью формы (SMP), которые могут многократно изменять свою жесткость при изменении температуры. Актуатор CMA представляет собой многослойную структуру, состоящую из LCE и SMP-полосок, медных нагревательных элементов, двух слоев из полиимида в роли подложки и промежуточного слоя из полидиметилсилоксана, который используется как связующий слой, компенсирующий напряжения.

При подаче электрического напряжения на встроенные нагревательные элементы LCE-слой сжимается, изгибая актуатор. При этом слой из полимера с памятью формы служит для фиксации формы: нагреваясь нагреве выше температуры стеклования, он становится мягким и легко деформируется вместе с жидкокристаллическим слоем. Однако последующее охлаждение SMP-элемента ниже определенной температуры приводит к его затвердеванию и фиксации всего актуатора в новом деформированном состоянии. При этом для дальнейшего его сохранения дополнительная энергия уже не требуется. Элементы с материалами LCE и SMP разнесены друг от друга и разделены воздушным зазором. Это обеспечивает их независимый нагрев, что позволяет точно контролировать процессы деформации и фиксации формы.

Актуатор CMA продемонстрировал способность изгибаться на очень большие углы — актуатор даже может сворачиваться в спираль. К примеру, при линейных размерах 4 и 50 миллиметров, углы изгиба в экспериментах составили 190 и 745 градусов, соответственно. При этом, при собственной массе 0,04 миллиграмм актуатор может удерживать до 5 граммов нагрузки. Инженеры создали целый набор базовых блоков-актуаторов различной формы, которые могут изгибаться, скручиваться, складываться и выполнять другие движения. Комбинируя их, можно создавать конструкции со сложной изменяемой геометрией.

Для примера авторы построили несколько демонстрационных устройств: подвижные дисплеи — фигуры с изменяемой формой в виде растений и животных со встроенной светодиодной подсветкой, робочерепаха и трехколесный микроавтомобиль массой два с половиной грамма с раскладывающимися крыльями и складным отсеком для перевозки груза. Наиболее интересным с практической точки зрения стал миниатюрный гибридный робот-трансформер массой 25 грамм, который может превращаться из четырехколесного ровера в квадрокоптер. Его воздушные винты с ободами установлены на концах СМА-актуаторов. Благодаря этому они могут плавно отклоняться, превращаясь в колеса. В наземном режиме робот продемонстрировал способность передвигаться по различным поверхностям (ткань, акрил, камень, почва), может «проползать» под нависающими сверху препятствиями, меняя угол установки колес, а для преодоления больших препятствий быстро переключается в режим квадрокоптера. Максимальная скорость движения по земле — более 18 длин корпуса в секунду.

В будущем разработчики планируют адаптировать свои актуаторы для работы под водой среде, добавить в них сенсоры для точного управления изгибом, а также использовать их в медицинских устройствах, носимой электронике и тактильных интерфейсах.

Используя разницу коэффициентов расширения при нагреве фоторезиста и золота, американские инженеры создали многослойный материал, который можно использовать в качестве актуатора для микроскопических роботов размером около миллиметра