Обычно гидрогели растягиваются только в одном направлении и не возвращаются в изначальное состояние. Команда китайских химиков создала полиэлектролитный гидрогель, который может увеличиваться в размере в 15 раз по сравнению с изначальной длиной, а затем возвращаться к своей первоначальной форме. Ученые считают, что их разработку можно будет использовать для изготовления мягких роботизированных захватов и искусственных сухожилий.
Инженеры пока не изобрели достаточно эффективных мягких манипуляторов для роботов, что серьезно тормозит использование таких систем в реальной экономике.
Собирать ягоды и фрукты, электронные изделия и выполнять множество других задач жесткими манипуляторами нельзя. А все известные на сегодня системы из мягких пластиков сравнительно быстро повреждаются из-за изменяющихся механических нагрузок. И даже если такой пластик не деформируется, дополнительные нагрузки растягивают его так, что он становится более непригодным для своей роли. На этом фоне материал, позволяющий «рукам» машин работать в новых областях, имел бы очень широкое практическое применение.
Гидрогели — материалы, представляющие собой сшитые цепочки полимеров, соединенных молекулами воды. Как правило, гидрогели очень мягкие, эластичные и деформируемые. Однако, когда их сильно растягивают, они часто не возвращаются к своей изначальной форме. Это создает определенные проблемы в их использовании, в той же робототехнике или медицине, где требуется эффект «растяжение — сжатие».
Команда китайских химиков под руководством Лили Чен (Lili Chen) из Университета Цинхуа разработала новый вид гидрогеля, который необычайно эластичен, но при этом может сохранять свою первоначальную форму. Результаты работы опубликованы в журнале Science.
Ученые улучшили стандартную структуру гидрогеля, вставив в него то, что они назвали цепочками «жемчужного ожерелья», которые состоят из свернутых полимерных шариков, соединенных атомами углерода. Эти 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.
Во время экспериментов Чен и ее коллеги обнаружили, что 30-сантиметровый слой их гидрогеля может растягиваться почти до пяти метров и за несколько секунд возвращаться к изначальной форме. Диск из гидрогеля шириной два сантиметра может увеличиваться в объеме в 100 раз.
Исследователи создали из своего материала мягкие роботизированные захваты для бережного обращения с хрупкими предметами, в том числе с ягодами и фруктами. В одном из опытов такие роботы смогли собрать клубнику и оказались чрезвычайно устойчивы к повреждениям: они продолжили работать даже после того, как человек становился на них или протыкал иглой.
Авторы статьи отметили, что их гидрогель идеально подходит для использования в качестве многофункциональных пневматических захватов, он одновременно обеспечивает большую дальность захвата и самовосстанавливается. Кроме того, разработку можно будет применять и в медицине — для создания искусственных сухожилий.
Работа китайских химиков — прорыв в области высокоэффективных полимерных материалов, она вызовет значительный интерес к использованию сверхэластичных гидрогелей в мягкой робототехнике.