Мягкие сенсорные самовосстанавливающиеся материалы для роботизированных кистей и предплечий

Недорогие желеобразные материалы, разработанные исследователями из Кембриджского университета, могут чувствовать напряжение, температуру и влажность. И в отличие от более ранних самовосстанавливающихся роботов, они также могут частично восстанавливать себя при комнатной температуре.

Технологии мягкого зондирования могут трансформировать робототехнику, тактильные интерфейсы и носимые устройства, а также другие приложения. Однако большинство технологий мягкого зондирования недолговечны и потребляют большое количество энергии.

«Включение мягких датчиков в робототехнику позволяет нам получать от них гораздо больше информации, например, как напряжение наших мышц позволяет нашему мозгу получать информацию о состоянии наших тел», — сказал Дэвид Хардман из Кембриджского инженерного факультета, первый автор книги. Статья опубликована в журнале NPG Asia Materials.

В рамках проекта SHERO, финансируемого ЕС, Хардман и его коллеги работают над созданием мягких самовосстанавливающихся материалов для кистей и рук роботов. Эти материалы могут определить, когда они повреждены, принять необходимые меры для временного самовосстановления, а затем возобновить работу — и все это без необходимости вмешательства человека.

«Мы работали с самовосстанавливающимися материалами в течение нескольких лет, но теперь мы ищем более быстрые и дешевые способы создания самовосстанавливающихся роботов», — сказал соавтор Томас Джордж-Турутель, также из инженерного отдела.

Ранние версии самовосстанавливающихся роботов нужно было нагревать, чтобы исцелить, но исследователи из Кембриджа сейчас разрабатывают материалы, которые могут восстанавливаться при комнатной температуре, что сделает их более полезными для реальных приложений.

«Мы начали с эластичного материала на основе желатина, который является дешевым, биоразлагаемым и биосовместимым, и провели различные испытания того, как встроить датчики в материал, добавив множество проводящих компонентов», — сказал Хардман.

Исследователи обнаружили, что печать датчиков, содержащих хлорид натрия — соль — вместо углеродных чернил, приводит к получению материала с нужными свойствами. Поскольку соль растворима в наполненном водой гидрогеле, она обеспечивает равномерный канал для ионной проводимости — движения ионов.

При измерении электрического сопротивления печатных материалов исследователи обнаружили, что изменения напряжения приводят к очень линейной реакции, которую они могли использовать для расчета деформации материала. Добавление соли также позволило обнаруживать растяжения, более чем в три раза превышающие первоначальную длину датчика, так что материал можно было использовать в гибких и растягиваемых роботизированных устройствах.

Самовосстанавливающиеся материалы дешевы и их легко изготовить с помощью 3D-печати или литья. Они предпочтительнее многих существующих альтернатив, поскольку демонстрируют долговременную прочность и стабильность без высыхания, а также полностью изготовлены из широкодоступных материалов, безопасных для пищевых продуктов.

«Это действительно хороший датчик, учитывая, насколько дешево и легко его изготовить», — сказал Джордж-Турутель. «Мы могли бы сделать целого робота из желатина и напечатать датчики там, где они нам нужны».

Самовосстанавливающиеся гидрогели хорошо связываются с целым рядом различных материалов, а это означает, что их можно легко использовать с другими типами робототехники. Например, большая часть исследований в Лаборатории биоинспирированной робототехники, где работают исследователи, сосредоточена на разработке искусственных рук. Хотя этот материал является экспериментальным, при дальнейшей доработке его можно будет использовать для изготовления искусственной кожи и специальных носимых и биоразлагаемых датчиков.