Без давления и высоких вольт: как обычная вода оживляет мягких роботов

Вместо громоздкой пневматики и опасного высокого напряжения — обычная вода. Ученые предложили уникальный способ движения для мягких роботов: компактный, универсальный и безопасный, основанный на кипении, а не на сложной электронике.

Этот актуатор работает на обычной воде, а не на сжатом воздухе или высоковольтной электронике, что делает его безопасным, компактным и легко масштабируемым

Источник: Unsplash

В журнале Nature Communications вышла статья команды из Университета Коимбры, где описан новый тип мягких актуаторов, то есть устройств, превращающих энергию в движение. Ученые возродили подход, основанный на фазовом переходе жидкости в газ, и приспособили его для создания мощных и гибких роботов.

В отличие от традиционных решений, где используются сжатый воздух или сложные материалы, новый актуатор работает за счет обычного кипения воды. Встроенный спиральный нагреватель превращает воду в пар, создавая давление, которое заставляет гибкую структуру двигаться. Такая система может работать при безопасном напряжении — всего 24 В, но при этом развивает силу более 50 ньютонов, то есть может поднимать и перемещать довольно тяжелые предметы.

Мягкий робот ползает по стволу дерева в неструктурированной среде. Он приводится в действие четырьмя электрическими мягкими приводами с фазовым переходом жидкость-газ, которые используют воду в качестве рабочей жидкости

Источник: Diogo Fonseca / techxplore.com

Главное преимущество — простота. Вместо дорогих и редких компонентов используются вода и силикон. Команда учла прежние недостатки подобных систем — медленную работу, перегрев и нестабильность — и решила их за счет точного теплового контроля и математических моделей управления. Теперь актуаторы могут надежно работать даже после тысячи циклов нагрева и охлаждения.

Инженеры также сделали систему модульной. Это значит, что разные части — нагреватель, резервуар и мягкую оболочку — можно менять и настраивать под задачи. Сама конструкция легко собирается с помощью 3D-печати и доступных материалов. Они показали, как эта технология работает, создав три прототипа: мягкую биомиметическую руку, захват, способный брать фрукты, и четвероногого робота, ползающего по деревьям и трубам.

Конструкция и покомпонентное изображение линейных и изгибающих приводов с гибким нагревательным элементом. Приводы, применяемые для питания мягких роботов: биомиметическая рука, мягкий роботизированный захват и Bixo

Источник: Robotics and AI Group at the University of Coimbra

Даже с неизбежным замедлением при остывании цикл «нагрев — движение — охлаждение» занимает всего 25 секунд. Это открывает перспективы для применения в полевых условиях, где нельзя использовать громоздкие насосы или высоковольтные установки.

В будущем ученые планируют сделать актуаторы компактнее, усилить их за счет работы при высоком давлении и внедрить новые способы предварительного натяжения. Однако уже сейчас новая технология показывает, что даже простая трубка с водой может стать основой для умного, безопасного и мощного робота.

Если одни инженеры заставляют роботов двигаться с помощью воды, то другие идут еще дальше — полностью отказываются даже от электричества. О том, как мягкий робот может работать только на потоке воздуха, вы можете узнать из этой статьи.