В последние годы учёные активно экспериментируют с мягкой электроникой. Мягкие эластичные предметы вообще удобнее в жизни, чем твёрдый металл и пластик. Это касается практически любых объектов. Электроника и роботы здесь не исключение. Поэтому вполне логично предположить, что будущее — именно за мягкими роботами. Такие эластичные и упругие кибернетические существа будут надеваться на голову и натягиваться на тело, приниматься внутрь. Они не боятся воды и коррозии, могут скользить или скатываться по наклонным поверхностям. Им не страшны повреждения, деформация и т.д. — у них много преимуществ перед жёсткими конструкциями [1] [2]. А ещё их так приятно гладить и похлопывать по упругому тельцу.

Робот Octobot. Фото: Институт бионической инженерии им. Висса

Полностью мягкие механизмы без единой твёрдой детали создавались и раньше, но это были довольно примитивные роботы вроде гусеницы. Сейчас инженеры из Гарвардского университета добились успеха, показав первого в мире полностью мягкого автономного робота Octobot в образе симпатичного осьминога, который двигается за счёт химической реакции восстановления перекиси водорода (H₂O₂).

Авторы изобретения из гарвадского Института бионической инженерии им. Висса считают, что такие роботы уже пригодны для массового производства по несложному техпроцессу, включая мягкие элементы питания и мягкие электронные схемы. Этот простой дизайн может стать ключевым компонентом для создания более сложных мягких роботов будущего.

Бóльшая часть деталей Octobot напечатана на 3D-принтере, а затем в его тело инкрустированы электропроводящие цепи и газовые сосуды методом литографии.

Газовые сосуды вдавливаются методом литографии. Иллюстрация: Институт бионической инженерии им. Висса

Технический процесс изготовления Octobot. Фото: Институт бионической инженерии им. Висса

Робот двигается за счёт газа, выделяемого из перекиси водорода — топлива. Жидкость перемещается по телу, а газ вздувает конечности. Учёные сконструировали хитрую сеть микрососудов для перемещения жидкости по всему телу. Эта сеть сосудов спланирована так, что при вздутии одних фрагментов конечностей сдуваются другие, в заранее определённой последовательности, которая позволяет роботу передвигаться. Алгоритм вздутия и сдутия реализован в простой логической схеме.

Логическая схема робота. Иллюстрация: Институт бионической инженерии им. Висса

Робот работает на 50% растворе перекиси водорода. Для сравнения, в большинстве бытовых продуктов обычно используется раствор 5%.

Робот может двигать конечностями самостоятельно, без внешнего управления, поэтому его считают автономным. Изменение давления в конечностях — основной способ передвижения для всех мягких роботов, и сейчас учёные впервые нашли способ запустить этот процесс полностью в автономном режиме.

Перекись водорода мгновенно распадается на воду и газообразный кислород при контакте с платиной на стенках каналов — в тех районах, где и происходит вздутие конечностей. Химическая реакция с перекисью водорода концентрацией 50% и 90% показана в видеоролике.

Газ занимает в 160 раз больше объёма, чем жидкость. За счёт этого Octobot двигает конечностями. Сейчас он может двигать щупальцами от 4 до 8 минут на одном миллилитре раствора перекиси водорода.

Сеть микрососудов спроектирована при участии известного химика Джорджа Уайтсайдса, лауреата множества престижных премий (согласно Википедии, это 1-й по цитируемости химик в мире за период с 1992 по 2002 годы, а также 1-й в мире по цитируемости из ныне живущих химиков в 2011 году, индекс Хирша = 169). Он тоже работает в Институте бионической инженерии им. Висса.

Сеть микрососудов робота Octobot под микроскопом. Иллюстрация: Институт бионической инженерии им. Висса

Конструкция выглядит многообещающе для некоторых сфер использования роботов, в том числе внутри человеческого тела. Конечно, физико-химическая автономная система сама по себе проще, чем привычные автономные роботы с компьютерным управлением, но это первая в мире такая конструкция, так сказать, proof-of-concept, то есть доказательство жизнеспособности идеи. Форм-фактор осьминога выбрали произвольно:

«Мы решили, что осьминог просто выглядит классно, — говорит Майкл Венер (Michael Wehner), ведущий автор научной работы. — Мы подумали, что такой прикольный осьминог поможет привлечь людей в мягкую робототехнику».

В следующей версии разработчики хотят научить Octobot плавать и взаимодействовать с окружающими объектами. Для этого придётся усложнить его логическую схему и, возможно, усложнить сеть микрососудов.

Сейчас этот осьминог выглядит смешно и бесполезно, но он даёт возможность представить будущее, в котором мягкие автономные роботы станут реальными.

Научная работа «Интегрированный дизайн и стратегия производства полностью мягких, автономных роботов» опубликована 24 августа 2016 года в журнале Nature (doi:10.1038/nature19100, pdf ).

Литература

[1] Rus, D. & Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature 521, 467–475 (2015). [2] Wang, L. & Iida, F. Deformation in soft-matter robotics: a categorization and quantitative characterization. IEEE Robot. Autom. Mag. 22, 125–139 (2015).