Южнокорейские исследователи разработали прототип гибкого «эфемерного робота» на основе силиконового эластомера, способного саморазлагаться под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения и тепла. Устройство может управлять своим жизненным циклом, сохраняя все свои функции во время работы и разжижаясь по требованию, что является гарантией сохранности потенциально важных данных, которые оно может нести.
Материалы для гибких роботов, учитывая их большую универсальность и податливость, являются очень активным направлением исследований. Так, гибкие роботы демонстрируют большую адаптивность в плане управления и перемещения, включая работу с хрупкими объектами или устойчивость к непредсказуемым условиям окружающей среды.
В настоящее время исследования в этой области сосредоточены на устройствах, имитирующих жизненный цикл живых организмов. Эти так называемые «переходные» или «эфемерные» роботы могут разрушаться контролируемым образом и представляют особый интерес для защиты данных и исследования объектов повышенного риска (где восстановление опасно или слишком дорого). Однако разработка материалов, способных к такому самоуничтожению, представляет собой серьезную проблему.
Эталонным материалом для гибкой робототехники является термореактивный силиконовый эластомер. Но хотя этот материал обладает пластичностью и универсальностью, присущими данному сектору робототехники, он не пригоден для саморазрушения. Его высокосшитая эластомерная сеть придает ему высокую стабильность, позволяя выдерживать экстремальные температуры до 300 °C и столь же экстремальные уровни pH.
С другой стороны, идеально подходящими кандидатами на это свойство саморазрушения могли бы стать термопластичные эластомеры (способные деформироваться под действием тепла). Однако плавление этих материалов происходит за счет увеличения подвижности полимерных цепей, а не их расщепления, поэтому после реакции плавления материалы не разлагаются, а снова существуют в восстанавливаемой форме (полиуретан).
С целью создания полностью разлагаемых гибких робототехнических материалов были исследованы различные элементы, такие как биогели. Нанесенные на некоторые электронные покрытия, они продемонстрировали отличную биоразлагаемость, например, при закапывании в компост. Но и здесь есть два существенных недостатка. Производительность этих материалов линейно снижается по мере их деградации. Поэтому срок службы системы сильно зависит от ее толщины и условий окружающей среды.
Исследователи из Сеульского национального университета предлагают решить эти проблемы путем разработки материала, обладающего одновременно механической универсальностью и стабильностью силиконовых эластомеров и способностью разрушаться по требованию. После контролируемого саморазрушения полученный робот превращается в маслянистую лужу, которую невозможно восстановить. «В некоторых сценариях, когда требуется распад, например, при завершении миссии, обнаружении врагами или утилизации, требующей уменьшения объема, робот может быть облучен ультрафиолетовым светом и распасться до необратимой формы«, — поясняет ведущий автор проекта Мин-Ха О с факультета материаловедения и инженерии Сеульского национального университета.
Полное самоуничтожение менее чем за 2 часа
Роботы, разрушающиеся сразу после взаимодействия с окружающей средой, называются «пассивными переходными роботами». В отличие от пассивных переходных роботов, переходные роботы по требованию начинают самоуничтожение контролируемым образом и сохраняют свою функциональную целостность в течение времени активации. Робот сеульских исследователей изготовлен из неотвержденного силиконового эластомера (силиконовой смолы), внутри которого распределен фотоиндуцированный фторид-генерирующий гексафторфосфат дифенилиодония (DPI-HFP).
При облучении ультрафиолетовым светом через небольшие встроенные светодиоды, включение которых контролируется, силиконовый материал высвобождает фторид-ионы (F −), что приводит к мгновенному разрушению всей конструкции. Примечательно, что, помимо гиперэластичности и простоты обработки силиконовых смол, дуэт DPI-HFP-силикон является переходной платформой по требованию. Под действием УФ-воздействия связи Si-O-Si расщепляются ионами F −, деструктурируя весь скелет, говорится в докладе, опубликованном в журнале .
Для тестирования своего устройства ученые смоделировали упражнение на распознавание, оснастив его различными электронными устройствами, например, внешними датчиками напряжения (температуры и ультрафиолета). Морфология робота моделировалась в форме из полимолочной кислоты (биоразлагаемого полимера), в которой смесь DPI-HFP с силиконом отверждалась при температуре 60 °C в течение 30 минут.
Процесс саморазрушения запускается включением УФ-светодиодов (с длиной волны 365 нанометров), после чего в течение 60 минут создается температура плавления 120 °C. Система разрушается от своей основы, оставляя после себя лишь маслянистый остаток, состоящий из силиконовых композитов и нефункциональных тонкопленочных электронных компонентов. Полная деградация системы происходит менее чем за два часа.
Новая технология не только позволяет сократить количество отходов робототехники, но и дает гарантию безопасности и позволяет исследовать зоны повышенного риска, такие как морское дно или радиоактивные среды.