Американские инженеры сделали небольшого шагающего робота массой 88 миллиграммов с химическим актуатором. Большую часть корпуса занимает бак с метанолом, который под действием катализатора окисляется и нагревает нить из сплава с памятью формы, отчего она сокращается и двигает передние ноги. Благодаря оригинальной конструкции этот процесс происходит циклически, поэтому робот двигает ногами в обе стороны и идет вперед.

Статья опубликована в журнале Science Robotics.

В робототехнике есть направление по созданию миниатюрных роботов с массой около грамма или меньше. Предполагается, что они смогут самостоятельно чинить большие и сложные установки, залезая внутрь через зазоры или технологические отверстия, или незаметно проводить разведку с помощью камеры. Но пока концептов и идей по использованию таких роботов гораздо больше, чем реальных прототипов. Прежде всего это связано с отсутствием элементной базы.

К примеру, самый распространенный тип двигателей для ходячих или летающих микророботов — это пьезоэлектрические пластины, которые гнутся в нужную сторону под действием электрического поля. Эффективные и миниатюрные пьезоэлектрические актуаторы и механические передачи для них уже существуют, но преобразователи напряжения и аккумуляторы пока отстают.

Основные исследовательские группы в этой области пытаются решить эту проблему напрямую, разрабатывая более эффективные, легкие и энергоемкие компоненты. В частности, DARPA проводит закрытый конкурс, стимулирующий разработку энергетических и актуаторных компонентов для микророботов.

Разработчики из Университета Южной Калифорнии под руководством Нестора Переса-Арансибии (Nestor Perez-Arancibia) создали прототип микроробота, который использует механохимический актуатор и полностью лишен каких-либо электрических элементов.

Робот имеет четыре ноги: передняя пара подвижна, а задняя жестко закреплена на корпусе. Сверху расположено два крепления, на которые можно поставить небольшой груз. Большую часть корпуса составляет бак с жестким каркасом и прозрачными стенками из тонкой и легкой полиимидной пленки. В него необходимо залить метанол, который действует как расходуемое топливо.

Принцип работы актуатора / Xiufeng Yang et al. / Science Robotics, 2020

Работа механохимического актуатора устроена следующим образом. В верхней части бака есть ряд небольших прорезей, а над этой областью расположена подвижная пластина с такими же прорезями. Она соединена с передними ногами и может двигаться вперед или назад. Сверху между выступом этой пластины и задней частью робота натянута нить, состоящая из нитинола и покрытая платиной. Особенность нитинола заключается в том, что он проявляет эффект памяти формы: при низкой температуре его можно подвергнуть деформации, но при нагревании выше критической температуры он возвращается в исходную форму.

Эффект памяти формы, вызываемый каталитическим окислением метанола / Xiufeng Yang et al. / Science Robotics, 2020

Когда прорези в баке и пластине совмещены через них проходят пары метанола и часть из них попадает на нить. Платиновый слой на ней действует как катализатор, под действием которого молекулы метанола вступают в реакцию с кислородом, выделяя теплоту. Из-за этого нить сокращается, прорези смещаются относительно друг друга и поток пара останавливается. Поскольку каталитическое окисление больше не происходит, нить охлаждается и снова растягивается, открывая доступ для метанола. Эти движения заставляют ноги робота двигаться назад или вперед и идти по поверхности.

Эксперименты показали, что робот может ходить со скоростью в десятые доли миллиметра в секунду, причем поскольку в основе его движения лежит испарение метанола, скорость сильно зависит от движения атмосферы. В статичной атмосфере она составила в среднем 0,37 миллиметра в секунду, а при небольшом движении воздуха возросла до 0,76 миллиметра в секунду. Сами по себе эти характеристики могут показаться небольшими, но их необходимо соотносить с размером робота. Исследователи отмечают, что для такого размера, который в данном случае составляет менее 20 миллиметров, это самый быстрый автономный ходячий робот, способный двигаться дольше, чем несколько секунд.

Также авторы показали, что он может двигаться и под небольшим наклоном, но в таком случае скорость резко падает: при пяти градусах скорость упала примерно на 20 процентов, при десяти она снизилась более чем в два раза, а при наклоне 15 градусов он уже не смог двигаться вперед. При таком небольшом размере у робота оказалась достаточно большая грузоподъемность: он оказался способен носить груз массой до 230 миллиграммов при собственном пустом весе 88 миллиграммов или 183 миллиграмма при полном баке.