Самовосстанавливающийся, недорогой материал для робототехники из «желе» и соли

Недорогие желеобразные материалы, разработанные исследователями из Кембриджского университета, могут ощущать деформацию, 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, среди других приложений. Тем не менее, большинство технологий мягкого зондирования не долговечны и потребляют большое количество энергии.

«Включение мягких датчиков в робототехнику позволяет нам получать от них гораздо больше информации, например, как нагрузка на наши мышцы позволяет нашему мозгу получать информацию о состоянии наших тел», — сказал Дэвид Хардман из Кембриджского инженерного департамента, первый автор статьи.

В рамках финансируемого ЕС проекта SHERO Хардман и его коллеги работают над разработкой мягких сенсорных, самовосстанавливающихся материалов для роботизированных рук и кистей рук. Эти материалы могут обнаружить, когда они повреждены, предпринять необходимые шаги, чтобы временно исцелить себя, а затем возобновить работу – и все это без необходимости человеческого взаимодействия.

«Мы работаем с самовосстанавливающимися материалами в течение нескольких лет, но теперь мы ищем более быстрые и дешевые способы создания самовосстанавливающихся роботов», — сказал соавтор доктор Томас Джордж-Турутел, также из Департамента инженерии.

Более ранние версии самовосстанавливающихся роботов должны были нагреваться, чтобы исцелиться, но исследователи из Кембриджа теперь разрабатывают материалы, которые могут заживать при комнатной температуре, что сделает их более полезными для реальных применений.

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

Исследователи обнаружили, что печать датчиков, содержащих хлорид натрия – соль – вместо углеродных чернил – привела к материалу со свойствами, которые они искали. Поскольку соль растворима в заполненном водой гидрогеле, она обеспечивает равномерный канал для ионной проводимости – движения ионов.

При измерении электрического сопротивления печатных материалов исследователи обнаружили, что изменения деформации приводят к высоколинейному отклику, который они могут использовать для расчета деформаций материала. Добавление соли также позволило зондировать участки, более чем в три раза превышающие первоначальную длину датчика, так что материал может быть включен в гибкие и растягивающиеся роботизированные устройства.

Самовосстанавливающиеся материалы дешевы и просты в изготовлении, либо путем 3D-печати, либо путем литья. Они предпочтительнее многих существующих альтернатив, поскольку они показывают долгосрочную прочность и стабильность без высыхания, и они полностью изготовлены из широко доступных, безопасных для пищевых продуктов материалов.

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

Самовосстанавливающиеся гидрогели хорошо связываются с целым рядом различных материалов, что означает, что они могут быть легко включены в другие типы робототехники. Например, большая часть исследований в Лаборатории робототехники Bio-Inspired, где базируются исследователи, сосредоточена на разработке искусственных рук. Хотя этот материал является доказательством концепции, если он будет развиваться дальше, он может быть включен в искусственную кожу и изготовленные на заказ носимые и биоразлагаемые датчики.