Гидрогели обычно растягиваются только в одном направлении и не восстанавливают исходную форму. Китайские химики создали полиэлектролитный гидрогель, который может увеличиваться в 15 раз по сравнению с начальной длиной и затем возвращаться к первоначальной форме. Ученые считают, что разработку можно будет использовать для изготовления мягких робототехнических захватов и искусственных сухожилий.
Отсутствие эффективных мягких манипуляторов для роботов сдерживает внедрение таких систем в практику экономики.
Сбор ягод и фруктов, обработка электронных изделий и выполнение многих других задач жесткими манипуляторами невозможны. Все известные системы из мягких пластиков сравнительно быстро повреждаются из-за меняющихся механических нагрузок. Даже если пластик не деформируется, дополнительные нагрузки растягивают его, делая менее подходящим для своей роли. В связи с этим материал, позволяющий «рукам» машин работать в новых областях, имел бы очень широкое практическое применение.
Гидрогели состоят из сплетенных полимерных цепочек, соединённых молекулами воды. Обычно гидрогели мягкие, эластичные и деформируются легко. При сильном растяжении форма часто не восстанавливается.
Китайские химики во главе с Лили Чен из Университета Цинхуа создали новый тип гидрогеля, отличающийся высокой эластичностью и способностью возвращаться к исходной форме. опубликованы в журнале Science.
Ученые доработали стандартную структуру гидрогеля, добавив в него цепочки «жемчужного ожерелья». Цепочки состоят из свернутых полимерных шариков, соединенных атомами углерода. Шарики могут разматываться при циклических механических нагрузках и сматываться, когда нагрузка ослабевает. Такая структура позволяет гидрогелям растягиваться во всех направлениях и восстанавливаться после механических повреждений.
В ходе экспериментов Чен с коллегами выяснилось, что 30-сантиметровый слой их гидрогеля способен растягиваться почти до пяти метров и за несколько секунд восстанавливать первоначальную форму. Диск из гидрогеля диаметром два сантиметра может увеличиваться в объеме в сто раз.
Ученые разработали мягкие роботизированные захваты для работы с хрупкими предметами, например ягодами и фруктами. В эксперименте роботы собирали клубнику и оказались очень прочными: продолжали работу после того, как человек наступал на них или прокалывал иглой.
Статья говорит о том, что гидрогель прекрасно подходит для изготовления многофункциональных пневматических захватов благодаря большой дальности захвата и способности к самовосстановлению. Разработка также может быть полезна в медицине для создания искусственных сухожилий.
Работы китайских ученых в сфере высокоэффективных полимерных материалов — прорыв, который привлечет большое внимание к применению сверхэластичных гидрогелей в мягкой робототехнике.