Технології
Технології

М'який оригамі матеріал допоміг дрону скластися у колісного робота

Американські інженери розробили еластомірний матеріал за принципами оригамі та кірігамі, який вміє перемикатися між жорстким і м'яким станом завдяки металу всередині. Менш ніж за одну десяту секунди пласкі аркуші композиту здатні набути складних форм і, наприклад, перетворити дрон на колісного робота. Або створити пливучого робота, який позбирає кульки в акваріумі. Потім роботи зможуть повернути собі початкову форму за допомогою вбудованого нагрівального елементу, якому потрібно підвищити температуру матеріалу всього на 60 градусів Цельсію. Як плаский шар матеріалу перетворює дрон на колісний транспорт, сам перетворюється на підводного робота і може повторювати складні форми, вчені описали у Science Robotics.

Робот, здатний перетворитися з колісного на дрон, завдяки ендоскелету з еластомеру і рідкого металу. Dohgyu Hwang / Science Robotics, 2022

Навіщо інженери складають оригамі?

Якщо дати матеріалу або вже готовому роботу можливість змінювати свою форму, це беззаперечно одразу додасть йому у функціях: від найпростішого зменшитися або збільшитися до набагато складнішого розкладання, наприклад, крил чи маніпуляторів.

Одним з перспективних підходів до створення систем, що трансформуються, є використання плоских листів, що містять задані геометричні елементи. Їх можна створити, наприклад, надрізами (кірігамі) або складками (оригамі).

Так при деформації плаского аркуша матеріалу можна отримати задані тривимірні форми. Цей клас матеріалів, часто званий механічними метаматеріалами, забезпечує високий рівень свободи і дає можливість оборотно переходити з одного стану до іншого. Подібно м'якій робототехніці, яка захоплює своєю гнучкістю, оригамі-підходи пропонують майже те саме, однак у жорстких корпусах, завдяки чому виграють у міцності.

Так дослідники Технічного інституту Вірджинії з метою створювати універсальних роботів, взялися до розробки матеріалу, який міг би багаторазово змінювати свою форму, зберігати її стільки часу, скільки потрібно, а потім повертатися до початкової.

Dohgyu Hwang / Science Robotics, 2022

Dohgyu Hwang / Science Robotics, 2022

З чого інженери складають оригамі?

Матеріал, з яким працювали вчені, складається із різних шарів. Між листами еластомеру розташований ендоскелет зі сплаву вісмуту, індію та олова, який плавиться вже при температурі 62 градуси Цельсія, і переходить із твердого стану з високим модулем пружності (більше трьох гігапаскалів) у текучу рідину. Також у конструкцію додані нагрівальні елементи. Її можна комбінувати з приводами, двигунами та іншими компонентами для руху та зміни форми.

Ідея полягає у тому, що робот спочатку плоский, а метал усередині знаходиться у рідкій формі. Його можна зігнути і розтягнути, надавши роботу бажаної форми, після чого метал затвердіє у потрібній формі. Після завершення будь-якого завдання можна увімкнути нагрівачі, щоб нагріти метал, що розплавить його і поверне роботу його початкову форму менш ніж за одну десяту секунди. Форму інженери надають за допомогою технік оригамі та кірігамі, вирізаючи на своєму композиті одновісні, двовісні та тривісні викройки за допомогою лазера. Причому при пошкодженні матеріал здатний самостійно відновитися після циклу нагрівання та повторного затвердіння.

Потім зібрані роботом кульки зібрали інженери та «вимкнули» робота, повернувши його до початкової форми. Dohgyu Hwang / Science Robotics, 2022

Потім зібрані роботом кульки зібрали інженери та «вимкнули» робота, повернувши його до початкової форми. Dohgyu Hwang / Science Robotics, 2022

Як перевзути дрон у колеса?

У ході випробувань вчені вирішили створити багатофункціонального робота, який міг би рухатися по землі, а потім перетворюватися на літаючий дрон. Так з'явився плаский аркуш матеріалу, до якого були прикріплені пропелери — дрон. Але якщо дати корпусу команду зігнутися, він опустить додолу колеса та зможе ними вже проїхатися. У другій моделі вчені використали свій матеріал як основу для підводного човна, який міг занурюватися на дно акваріума, зачерпувати кульки і виносити їх на поверхню.

Все це демонструє, як композит може швидко і, що головне, оборотно перетворюватися на складні об'єкти, не вимагаючи при цьому безперервного підведення енергії, але пропонуючи можливість нести корисне навантаження, включаючи контролери, двигуни та акумулятори. Оскільки реконфігурований стан підтримується без безперервного енергопостачання, пристрої, створені з такого матеріалу зможуть перетворюватися і у польових умовах, самостійно виконуючи завдання.

Більше про можливості складеної за принципами оригамі і кірігамі робототехніки ми розповідали у нашому великому матеріалі «Складні роботи».


Фото в анонсі: Dohgyu Hwang / Science Robotics, 2022