Суставы оригами-роботов выдержали больше полутора тысяч циклов сгибания

Американские инженеры разработали метод изготовления самоскладывающихся оригами-роботов с суставами из жидкокристаллического эластомера и протестировали их на двух прототипах — оригами-журавлике и фигуре миура-ори. Суставы выдерживают более 1500 циклов складывания без заметной потери механических свойств. Статья опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Японское искусство складывания фигурок из бумаги давно привлекает внимание инженеров. С его помощью из плоского листа можно получать сложные трехмерные конструкции, которые проще транспортировать, а затем разворачивать на месте в нужную форму. Эта техника может быть полезной при создании космических аппаратов, хирургических инструментов и робоманипуляторов. Робототехника тоже пытается применить принципы оригами. Например, в 2020 году американские инженеры из Мичиганского университета показали миниатюрного робота-журавля, созданного на основе технологии электротермических актуаторов. Их работа основана на особенности поведения при локальном нагреве двухслойного материала из золота и фоторезиста.

Однако это не единственный материал, который можно использовать в качестве актуаторов оригами-роботов. Другими перспективными кандидатами считаются жидкокристаллические эластомеры из-за их способности к обратимой деформации при нагреве и охлаждении. Это свойство объясняется поведением молекул внутри: они могут выстраиваться вдоль определенного направления, определяя вектор сокращения материала при изменении температуры. До сих пор для активации таких актуаторов требовалось помещать их целиком в печь или ванну с горячей водой. Однако глобальный нагрев не позволяет управлять отдельными сгибами сложного механизма. Другим важным препятствием для развития полностью автономных роботов-оригами оставалось создание системы контроля температуры.

Решить эти проблемы попытались инженеры под руководством Эмили Дэвидсон (Emily Davidson) из Принстонского университета. При создании шарниров для оригами-роботов они использовали метод послойной прямой печати жидкокристаллическим олигомером на основе мезогена C6M в качестве чернил. Экструдер выдавливает материал при температуре 40 градусов Цельсия через сопло диаметром 250 микрометров, и этот процесс механически выравнивает полимерные цепи вдоль направления движения печатающей головки. Главная особенность подхода — приостановка работы принтера для ручной установки уже готовой гибкой печатной платы с термисторами и нагревательными элементами. После этого экструдер наносит следующие слои эластомера, запечатывая нагревательные элементы внутри. Затем готовую структуру облучают ультрафиолетом для окончательного сшивания полимерной сетки. Инженеры написали собственную программу, которая автоматически генерирует траектории экструзии и чертежи плат на основе плоского рисунка оригами.

Основой гибкой платы служит полиимидная пленка. В местах будущих шарниров размещены змеевидные медные дорожки, которые работают как нагреватели. Для предотвращения деформации плоских граней оригами-конструкции используются накладки из стеклотекстолита. Широкие участки медной фольги на них играют роль радиаторов, ускоряя отвод тепла при выключении тока на нагревателях. Локальный нагрев позволил сократить время полного цикла складывания и раскладывания до 100 секунд. Встроенные термисторы дают информацию о температуре каждого шарнира, что позволяет микроконтроллеру точно регулировать мощность нагрева, поддерживая заданный угол изгиба.

Для оценки надежности технологии инженеры провели серию испытаний, в которых шарнир циклически сгибался и разгибался, нагреваясь до 120 градусов Цельсия и затем охлаждаясь. Конструкция успешно преодолела рубеж в 1500 циклов без видимых признаков повреждений или расслоения полимера. Расход энергии на выполнение 50 циклов складывания составил чуть более одного ватт-часа. Такого потребления достаточно для почти трех часов непрерывной работы механизма от стандартного литиевого аккумулятора емкостью 1000 миллиампер-часов.

Работу актуаторов разработчики продемонстрировали на примере классического оригами-журавлика и фигуре миура-ори. Система управления позволяла активировать шарниры фигур в строгой последовательности. В случае журавлика сначала нагревалась центральная часть полимера, формируя объемное туловище и голову. Затем микроконтроллер активировал нагреватели в крыльях, заставляя их опускаться и подниматься. Наличие трех независимых зон нагрева во второй фигуре (миура-ори) позволяло переключаться между четырьмя стабильными геометрическими формами. В будущем авторы планируют интегрировать всю необходимую электронику, включая микроконтроллер и аккумуляторы, непосредственно на саму гибкую печатную плату, что позволит создавать полностью автономных самоскладывающихся роботов без внешних проводов.

Группа инженеров из Калифорнийского университета решила и вовсе отказаться от электронных компонентов в оригами-роботах. Вместо этого они заменили все полупроводниковые устройства в них на электромеханические логические устройства, собранные из гибких материалов.