Прозрачные роботы на основе гидрогеля могут ловить и выпускать живую рыбу
Инженеры MIT изготовили прозрачных роботов на гелевой основе, которые движутся, когда вода закачивается в них и из них. Боты могут выполнять ряд быстрых и сильных заданий, в том числе бить по мячу под водой, хватать и выпускать живую рыбу.
Роботы сделаны полностью из гидрогеля — прочного, эластичного, почти прозрачного материала, состоящего в основном из воды . Каждый робот представляет собой совокупность полых, точно разработанных гидрогелевых структур, соединенных с резиновыми трубками. Когда исследователи закачивают воду в гидрогелевых роботов, конструкции быстро раздуваются в направлениях, которые позволяют боту свернуться или вытянуться.
Команда создала несколько гидрогелевых роботов, в том числе ребристую конструкцию, которая колеблется взад-вперед, сочлененный придаток, который совершает удары ногами, и мягкий робот в форме руки, который может сжимать и расслаблять.
Поскольку роботы питаются от воды и почти полностью состоят из воды, они имеют схожие визуальные и акустические свойства с водой. Исследователи предполагают, что эти роботы, если они предназначены для подводного применения, могут быть практически невидимы.
Группа, которую возглавляет Сюаньхэ Чжао, доцент кафедры машиностроения и гражданского и экологического проектирования в Массачусетском технологическом институте и аспирант Хёнву Юк, в настоящее время ищет возможности адаптировать гидрогелевых роботов для медицинских применений.
«Гидрогели являются мягкими, влажными, биосовместимыми и могут образовывать более дружественные интерфейсы с человеческими органами», — говорит Чжао. «Мы активно сотрудничаем с медицинскими группами, чтобы перевести эту систему в мягкие манипуляторы, такие как гидрогелевые« руки », которые потенциально могут применять более мягкие манипуляции с тканями и органами при хирургических операциях».
Чжао и Юк опубликовали свои результаты на этой неделе в журнале Nature Communications . Их соавторами являются аспиранты Массачусетского технологического института Шаотинг Линь и Чу Ма, постдок Махди Такафоли и доцент кафедры машиностроения Николас X. Фан.
Рецепт робота
В течение последних пяти лет группа Чжао разрабатывает «рецепты» для гидрогелей, смешивает растворы полимеров и воды и использует изобретенные ими технологии для изготовления жестких, но в то же время очень эластичных материалов. Они также разработали способы приклеивания этих гидрогелей к различным поверхностям, таким как стекло, металл, керамика и резина, создавая чрезвычайно прочные соединения, которые противостоят отслаиванию.
Команда поняла, что такие прочные, гибкие, прочно связывающиеся гидрогели могут быть идеальными материалами для использования в мягкой робототехнике. Многие группы разработали мягких роботов из резин, таких как силиконы, но Чжао отмечает, что такие материалы не так биосовместимы, как гидрогели. Поскольку гидрогели в основном состоят из воды, он говорит, что их естественно безопаснее использовать в биомедицинских условиях. И хотя другие пытались изготовить роботов из гидрогелей, их решения привели к получению хрупких, относительно негибких материалов, которые трескаются или лопаются при повторном использовании.
Напротив, группа Чжао обнаружила, что ее составы хорошо приспособлены к мягкой робототехнике.
«Изначально мы не думали о подобном проекте [мягкой робототехники], но поняли, что, возможно, наш опыт может иметь решающее значение для перевода этих желе в качестве надежных приводов и роботизированных конструкций», — говорит Юк.
Быстрый и сильный
Чтобы применить их гидрогелевые материалы для мягкой робототехники, исследователи сначала обратили внимание на животный мир. Они концентрировались, в частности, на лептоцефали или стеклянных угрях — крошечных прозрачных гидрогелеподобных личинках угрей, которые вылупляются в океане и в конечном итоге мигрируют в естественные речные места обитания.
«Это чрезвычайно долгий путь, и нет средств защиты», — говорит Юк. «Похоже, они пытались развиться в прозрачную форму в качестве эффективной тактики маскировки. И мы хотели достичь такого же уровня прозрачности, силы и скорости».
Для этого Юк и Чжао использовали методы трехмерной печати и лазерной резки, чтобы печатать свои рецепты гидрогеля в роботизированных структурах и других полых элементах, которые они соединяли с небольшими резиновыми трубками, которые подключены к внешним насосам.
Для приведения в действие или перемещения конструкций команда использовала шприцевые насосы для впрыскивания воды через полые конструкции, позволяя им быстро скручиваться или растягиваться в зависимости от общей конфигурации роботов.
Юк и Чжао обнаружили, что, закачивая воду, они могут вызывать быстрые и сильные реакции, позволяя роботу-гидрогелю генерировать несколько ньютонов силы за одну секунду. Что касается перспективы, другие исследователи активировали подобных гидрогелевых роботов простым осмосом, позволяя воде естественным образом просачиваться в структуры — медленный процесс, который создает силы в миллиньютонах в течение нескольких минут или часов.
Поймать и отпустить
В экспериментах с использованием нескольких конструкций гидрогелевых роботов команда обнаружила, что конструкции способны выдерживать многократное использование до 1000 циклов без разрыва или разрыва. Они также обнаружили, что каждый дизайн, размещенный под водой на цветном фоне, казался почти полностью замаскированным. Группа измерила акустические и оптические свойства гидрогелевых роботов и обнаружила, что они почти равны свойствам воды, в отличие от резины и других обычно используемых материалов в мягкой робототехнике .
В яркой демонстрации этой технологии команда изготовила роботизированный захват, похожий на руку, и выкачивала воду из ее «пальцев», чтобы рука открывалась и закрывалась. Исследователи погрузили захват в аквариум с золотой рыбкой и показали, что когда рыба проплывала мимо, захват был достаточно сильным и быстрым, чтобы закрывать рыбу.
«[Робот] почти прозрачен, его очень трудно увидеть, — говорит Чжао. «Когда вы отпускаете рыбу, она очень счастлива, потому что [робот] мягкий и не вредит рыбе. Представьте, что жесткая рука робота, вероятно, раздавит рыбу».
Затем исследователи планируют определить конкретные приложения для гидрогелевой робототехники, а также адаптировать свои рецепты к конкретному применению. Например, медицинские приложения могут не требовать полностью прозрачных структур, в то время как другие приложения могут требовать, чтобы некоторые части робота были более жесткими, чем другие.
«Мы хотим точно определить реалистичное приложение и оптимизировать материал для достижения чего-то впечатляющего», — говорит Юк. «Насколько нам известно, это первая демонстрация воздействия гидрогеля под давлением. Сейчас мы отбрасываем эту концепцию как открытый вопрос, чтобы сказать:« Давайте поиграем с этим ».
