Ученые создают защиту для роботов, вдохновляясь броненосцами

Новости МирТесен

Вдохновившись тем, как ведут себя броненосцы, ученые из Университета штата Северная Каролина создали защитную конструкцию, которая сворачивается в шар при возникновении внешней угрозы, чтобы защитить электронные устройства. Конструкция спроектирована таким образом, чтобы автоматически отвечать на воздействие. Она может быть настроена на реагирование на любые угрозы — от легкого прикосновения до сильного удара.

«По словам Йонга Чжу, автора публикации и профессора с большим опытом работы в области машиностроения и аэрокосмической техники в Университете штата Северная Каролина, в сфере мягкой робототехники и гибкой электроники достигнуты существенные успехи, однако эти устройства нередко отличаются невысокой прочностью. Разработчики стремились создать способ, который обеспечивал бы работоспособность таких уязвимых технологий, одновременно защищая их».

«Разработанная структура обладает значительной гибкостью в спокойном состоянии, однако ее можно активировать, чтобы она приобрела свойства жесткой внешней оболочки, — отмечает Цзяньюй Чжоу, первый автор научной работы. — Подобные технологии, по нашему мнению, смогут применяться для защиты широкого спектра объектов, включая практически все, что способно изгибаться».

Робоброненосец, получивший от исследователей название морфовзаимосвязанного защитного модуля (Morpho-Interlocking Protective Module, MIPM), включает в себя три основных слоя. Внешний слой, или экзоскелет, сформирован из сегментированных изогнутых пластин, произведенных методом 3D-печати из смолы. Средний слой, выполняющий «сенсорные и исполнительные» функции, включает в себя четыре компонента: жидкокристаллический эластомер, который сжимается при воздействии тепла; тензодатчик, изготовленный из эластичного полимера с серебряными нанопроволоками; слой каптоновой ленты, расширяющейся при нагревании; и тонкий слой проводящей ткани, который используется в качестве «нагревательного» элемента. Завершает конструкцию слой эндоскелета, состоящий из плотно сложенной бумаги, сформированной в ряд выступов, удерживающих ряд жестких полимерных «сегментных чешуек».

При обнаружении касания или удара тензодатчик передает сигнал в блок управления, который, в свою очередь, активирует нагревательный слой. Нагреваясь, слой из низкоуглеродистой стали уменьшается в объеме, а каптоновая лента расширяется, что приводит к деформации всей конструкции. В итоге, структура MIPM принимает форму защитного круга, а экзоскелет располагается за его пределами.

«По словам Чжоу, при формировании круглой структуры, сегментарные чешуйки эндоскелета соединяются, создавая крепкий внутренний «скелет», который увеличивает её устойчивость.

В процессе экспериментальных испытаний было подтверждено, что MIPM функционирует корректно: при повышенной нагрузке сенсорный слой активируется и инициирует преобразование в защитную оболочку. Кроме того, ученые установили, что увеличение числа сегментов в эндоскелете существенно улучшает внутреннюю жесткость и прочность всей конструкции.

«Благодаря подходу, основанному на принципах механики, нам удалось найти баланс между сегментированной структурой эндоскелета и снижением его веса, — отмечает Чжу. — В частности, десять сегментов, имитирующих чешую, способны выдерживать нагрузку приблизительно в 10 ньютонов. Мы показали, что сочетание гибкости и механической защиты обладает значительным потенциалом. Наша цель — дальнейшее развитие гибких и защитных технологий, черпающих вдохновение в природе».

Статья опубликована в журнале Science Advances.

[Фото: Jianyu Zhou, NC State University]