Инновационный робот на основе гидрогеля позволит безопасно убирать сельскохозяйственные культуры

Новости МирТесен

Как правило, гидрогели демонстрируют способность к растяжению лишь по одной оси и не обладают свойством возврата в исходную конфигурацию. Тем не менее, группа исследователей из Китая разработала полиэлектролитный гель на водной основе, способный увеличиваться в объеме до пятнадцатикратного размера от первоначальной длины с последующим восстановлением своей прежней формы. Специалисты полагают, что данная инновация может найти применение при создании гибких роботизированных устройств для удержания предметов и искусственных сухожилий.

На текущий момент инженерам не удалось создать достаточно производительные мягкие захватывающие устройства для роботов, что сдерживает внедрение подобных систем в производственный процесс.

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.

Специалисты модифицировали обычную структуру гелеобразного материала, интегрировав в нее элементы, получившие название «цепочки жемчужного ожерелья». Эти цепочки состоят из свернутых полимерных частиц, соединенных атомами углерода. Под воздействием деформации эти частицы способны раскручиваться и вновь сворачиваться при снятии нагрузки. Данная особенность обеспечивает возможность растяжения гидрогеля в любом направлении и его восстановление после воздействия механических сил.

В ходе проведенных испытаний Чен вместе с командой выяснили, что образец гидрогеля длиной 30 сантиметров способен удлиняться почти до пяти метров, быстро восстанавливая первоначальные габариты. Диск из этого материала толщиной в два сантиметра может увеличиваться в размере во сто крат.

На основе полученного вещества были разработаны мягкие роботизированные устройства для аккуратной работы с деликатными объектами, такими как фрукты и ягоды. В ходе демонстрации эти робототехнические системы успешно собирали клубнику и продемонстрировали высокую устойчивость к повреждениям: они продолжали функционировать даже при воздействии значительного веса или проколов.

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.