Как правило, гидрогели деформируются лишь в одном направлении и не обладают способностью восстанавливать свою первоначальную форму. Китайские химики разработали полиэлектролитный гидрогель, способный увеличиваться в объеме в 15 раз относительно своей исходной длины и впоследствии возвращаться к исходным размерам. Исследователи полагают, что данная разработка может найти применение в производстве мягких роботизированных захватов и искусственных сухожилий.
Недостаточно эффективные мягкие манипуляторы для роботов пока не разработаны инженерами, что препятствует более широкому внедрению робототехнических систем в экономическую сферу.
Использовать жесткие манипуляторы для сбора ягод и фруктов, работы с электронными устройствами и выполнения других задач не представляется возможным. Существующие системы, изготовленные из мягких пластиков, довольно быстро выходят из строя под воздействием переменных механических нагрузок. Даже если такой пластик не подвергается деформации, дополнительные нагрузки приводят к его растяжению и снижению функциональности. В связи с этим, материал, обеспечивающий возможность работы «рук» машин в новых областях, обладал бы значительным практическим значением.
Гидрогели – это материалы, состоящие из переплетенных полимерных цепей, в которых молекулы воды выступают в роли связующего звена. Обычно эти материалы обладают высокой мягкостью, эластичностью и податливостью. При значимом растяжении гидрогели зачастую не способны восстановить свою первоначальную конфигурацию. Это создает сложности в их применении, например, в робототехнике или медицине, где необходим эффект возврата после деформации».
Китайские ученые во главе с Лили Чен из Университета Цинхуа создали инновационный гидрогель, сочетающий в себе исключительную эластичность и способность поддерживать заданную форму. О результатах исследования опубликованы в журнале Science.
Стандартная структура гидрогеля была усовершенствована благодаря внедрению так называемых «жемчужных ожерелий» — цепочек, состоящих из соединенных атомами углерода свернутых полимерных шариков. Под воздействием циклических механических нагрузок эти шарики способны «разворачиваться», а при ослаблении нагрузки – «сворачиваться». Данная структура обеспечивает возможность растяжения гидрогелей в любом направлении и их восстановление после механических повреждений.
В ходе исследований Чен и ее команда выяснили, что слой гидрогеля толщиной 30 сантиметров способен растягиваться почти до пяти метров и быстро восстанавливать свою первоначальную форму. Также было установлено, что диск из гидрогеля диаметром два сантиметра способен увеличиваться в размере в 100 раз.
На основе разработанного материала ученые создали мягкие роботизированные захваты, предназначенные для аккуратной работы с деликатными объектами, такими как ягоды и фрукты. В ходе испытаний эти роботы продемонстрировали способность собирать клубнику и показали высокую устойчивость к повреждениям: они сохраняли функциональность даже при воздействии, например, при ходьбе человека по ним или протыкании иглой.
Авторы исследования подчеркнули, что их гидрогель отлично подходит для использования в качестве многофункциональных пневматических захватов, обеспечивая при этом значительную дальность действия и способность к самовосстановлению. Также, эта разработка может найти применение в медицине, например, при создании искусственных сухожилий.
Разработка китайских химиков представляет собой значительный прогресс в создании высокоэффективных полимерных материалов и, вероятно, привлечет внимание к применению сверхэластичных гидрогелей в области мягкой робототехники.