Технології
Технології

Желатин і цукровий сироп стали чорнилами для друку м'яких роботів

Австрійські матеріалознавці запропонували новий матеріал для друку м'яких роботів на 3D-принтері. Чорнила виготовили з желатину і цукрового сиропу, а виготовлений з них робот продемонстрував значну гнучкість та за допомогою хвилеводів навіть виконав команди розробників — наприклад, відштовхнув перешкоду з арени. Такий актуатор може повністю розчинитися у воді, а може мінімум чотири рази піддатися переробці і не втратити у механічних властивостях. Розроблена технологія потрапила на обкладинку журналу Science Robotics.

A. Heiden et al. / Science Robotics, 2022

A. Heiden et al. / Science Robotics, 2022

Желатинові роботи щоб їсти?

М'яка робототехніка впевнено зайняла своє місце в інженерній галузі та приваблює науковців своєю витривалістю і гнучкістю. Відсутність необхідності у жорстких корпусах перетворює м'яких роботів на тих небагатьох, хто зможе впоратися, наприклад, з тиском Маріанської западини, а також значно полегшує виготовлення, адже до нього можна пристосувати 3D-принтери. Найчастіше м'яких роботів створюють із композитних конструкцій полімерів, пружні деформації яких обмежують жорсткішими елементами.

Втім, вже постало питання щодо їхньої екологічності, адже використовувані у м'якій робототехніці еластомери повільно розкладаються та потребують значних витрат на виготовлення. Частково проблему можуть вирішити біогідрогелі, наприклад, на основі крохмалю чи колагену, які швидко розкладаються. Однак вони погано витримують високі навантаження, а відтак обмежують можливості майбутнього робота чи актуатора для нього. Більш функціональним ввижається використання гелів на основі желатину, який, окрім того що біосумісний, так ще і піддається фотополімеризації, 3D-друку та легко розкладається чи піддається повторній переробці.

Єдине, чого не вистачає інженерам від желатину — можливості контролювати його гнучкі властивості, щоб використовувати для корисних задач. Цим питанням і зайнялися дослідники Лінцського університету, що в Австрії. Вони запропонували стратегію виготовлення 3D-друкованих желатинових м'яких роботів, яким покращили механічні властивості та які можуть розтягнутися більш як на 400 відсотків і проявляти активність за допомогою системи хвилеводів — наприклад, рухатися за командами вчених за джойстиком. Таку сировину можна легко повторно використовувати або утилізувати, не побоюючись за навколишнє середовище.

Створений робот розчиняється у воді, а нитки, якими його армували можна або переробити, або використати повторно, або також піддати розкладанню. A. Heiden et al. / Science Robotics, 2022

Створений робот розчиняється у воді, а нитки, якими його армували можна або переробити, або використати повторно, або також піддати розкладанню. A. Heiden et al. / Science Robotics, 2022

Желатин покращив цукор?

Своїх роботів дослідники друкували з желатину, гнучкість якому додали гліцерин і цукровий сироп, а захист від бактерій — лимонна кислота. Такий склад дасть роботу розчинитися за кілька днів у воді, однак збереже всі механічні властивості більш ніж на рік за звичайних умов. Пошкоджених желатинових роботів пропонують наново нагрівати та пропускати крізь сопло 3D-принтера — вченим вдалося це зробити чотири рази.

Порівнюючи зразки, надруковані пошарово зі зразками, відлитими у форму, матеріалознавці дійшли висновку, що саме друк дає змогу добитися максимальних параметрів розтягування і граничного напруження. Так вже за 24 години після виготовлення вони можуть деформуватися до 470 відсотків, у той час як у відлитих у форму цей параметр не перевищує 140 відсотків. За п'ять днів після виготовлення виріб втратить до 10 відсотків ваги через випарування вологи, однак у цей момент досягається рівновага, при якій стабілізуються вага та механічні властивості. Цей процес стабілізації викликає збільшення модуля Юнга до 2,2 мегапаскаля. Як правило, м'які роботи потребують граничних деформацій у межах 200 відсотків та модуль Юнга у діапазоні від 0,1 до 10 мегапаскалів.

A. Heiden et al. / Science Robotics, 2022

A. Heiden et al. / Science Robotics, 2022

І що це дає роботові?

Щоб роботи міг робити щось корисне, його варто наділити пропріо- та екстерорецепцією. Цього разу вчені звернулися до мережі хвилеводів, які чутливі до деформації і також можуть бути виготовлені з гнучких матеріалів на 3D-принтері. Для свого робота матеріалознавці друкували їх без оболонки зі своїх же желатинових чорнил. У них зменшили кількість цукру і гліцерину, щоб зробити прозорішими, а також зменшили частку води, щоб уповільнити висихання. Компромісним стало співвідношення гідрогелю до води 9:4, щоб отримати показник заломлення у 1,48. Їх під'єднали до діодів і так перетворили на датчики дотику для робота.

Робот реагує на дотик. A. Heiden et al. / Science Robotics, 2022

Робот реагує на дотик. A. Heiden et al. / Science Robotics, 2022

Локалізувати дотик можна на області перетину двох хвилеводів, що використали для керування роботом за допомогою джойстика — шість кнопок контролера стискають хвилевідну мережу в різних місцях при дотику, або на одному хвилеводі, або на перетині двох хвилеводів, що перекриваються. Щоб скеровувати робота, його обв'язали звичайними нитками і додали надрукований з тих же чорнил пневмопривід, який приводить робота у дію. Поєднавши всі модифікації в одному роботі, його навчили реагувати на перешкоди і позбуватися їх. Торкаючись до чогось, актуатор реагував на це завдяки хвилеводам, а тиск у приводах змушував його з максимальною силою торкнутися перешкоди так, щоб вона відкотилася.

A. Heiden et al. / Science Robotics, 2022

A. Heiden et al. / Science Robotics, 2022

Сигнали хвилеводів можна дати розбирати алгоритмам машинного навчання, щоб краще розрізняти множинні деформації і, таким чином, підвищити універсальність конструкції цього робота. Рівень складності виконуваних ним завдань також можна підвищити, якщо підібрати так само біорозкладні матеріали та звернутися до мультиматеріального друку, а кількість циклів перероблювання пропонують підвищити, якщо знайти спосіб знизити температуру друку або скоротити період нагрівання, збільшивши швидкість виготовлення.

Також раніше ми розповідали, як для 3D-друку, щоб збільшити екологічність виробництва, пристосували пилок соняшника, який потрібно лише розм'якшити у лужному середовищі.