Блог компании ua-hosting.company. Терминатор, Оптимус Прайм, C-3PO, Робокоп и многие другие киношные роботы наделены самыми разнообразными функциями. Но между ними есть нечто общее — их нельзя назвать мягкими. И речь идет не о чертах характера, если таковые могут быть у робота, а об их оболочке. Тем не менее в последние годы все больший интерес вызывает именно мягкая робототехника, которая может найти свое применение не только в автономных машинах, но и в тактильных интерфейсах или носимой электронике.

Проблема столь футуристичной разработки в том, что подавляющее большинство ее представителей куда менее прочные и потребляют куда больше энергии, чем металлические конкуренты. Ученые из Кембриджского университета (Великобритания) нашли метод решения проблемы прочности мягких роботов, создав новый тип материала, который способен регенерировать при комнатной температуре.

Из чего сделан чудо-материал, насколько быстро робот, созданный из него, может сам себя отремонтировать, и где именно может быть применена данная разработка? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

В основе мягкой робототехники лежат мягкие датчики, которые также могут использоваться и в системах мониторинга здоровья человека, и в датчиках движения, и т.д. Как правило, эти мягкие датчики разрабатываются с использованием проводящих композитов эластомеров, проводящих жидкостей и растяжимых оптических волокон.

Интересной альтернативой являются гидрогели, так как они обладают высокой растяжимостью, прозрачностью, биосовместимостью и ионной проводимостью. При этом физические свойства таких материалов легко настроить под определенное применение. Основной проблемой гидрогелей является их непродолжительная долговечность и малая прочность, вызванная высоким содержанием воды и часто органической природой других компонентов.

Кроме того, поскольку изменение формы незначительно влияет на миграцию подвижных ионов в сети гидрогелей, удельное электрическое сопротивление этих гидрогелей остается постоянным, что делает их чувствительными к изменениям как длины, так и площади. Эта особенность усложняет их применение для измерения деформации, поскольку приложенные напряжения в нескольких направлениях не могут быть отделены друг от друга. Ученые отмечают, чтобы тензометрические датчики на основе гидрогеля были действительно эффективными, необходимо уменьшить эффекты витрификации (витрификация — переход жидкости при понижении температуры в стеклообразное состояние), возникающие из-за высыхания гидрогеля, повысить их устойчивость к повреждениям и получить возможность настраивать реакцию на растяжение в желаемом направлении.

Дополнительными полезными свойствами являются биосовместимость, самовосстановление, низкая стоимость, простота изготовления и низкое потребление энергии.

На данный момент существует несколько методик изготовления сенсорных гидрогелей, среди которых особое внимание уделяется методом аддитивного производства (т.е. 3D-печати). Однако они требуют дорогостоящего оборудования. Более дешевый вариант печати методом напыления требуют экструдируемых гидрогелей. В таком случае необходимо крайне точно настроить свойства материала и время гелеобразования.

Решить все вышеперечисленные проблемы может желатин, так как гидрогели на основе желатина стоят дешево, легко экструдируются, а также являются биосовместимыми благодаря нетоксичной природе желатина. Кроме того такой материал может позволить реализовать самовосстановление.

При охлаждении водный желатин претерпевает золь-гель переход (золь-гель переход — процесс превращения золя в гель, протекающий при увеличении концентрации частиц дисперсной фазы в золе или под влиянием иных внешних воздействий, к примеру, охлаждения) при ~40 °C, во время которого его спиральные цепи превращаются в правосторонние тройные спирали с образованием мягкого геля, стабилизированного водородными связями. Этот гигроскопичный материал подвергается адсорбции и десорбции в соответствии с относительной влажностью окружающей среды, хотя в течение более длительных периодов времени гидрогель застекловывается, становясь сухим и ломким при исключении водного растворителя.

Физические связи, образующиеся во время гелеобразования, являются термообратимыми, но дополнительные ферментативные связи можно индуцировать с помощью трансглютаминазы для облегчения образования пептидных связей. Для дальнейшего улучшения механических свойств геля и противодействия эффекту витрификации в качестве пластификатора может быть использован глицерин.

При использовании в сочетании с желатиновыми гидрогелями глицерин не влияет на механизм гелеобразования, но улучшает эластичность, гибкость и чувствительность к влаге за счет уменьшения взаимодействия между соседними желатиновыми цепями.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые использовали гидрогель Ge:Gl:H₂O:CA с пропорциями компонентов 1:1.5:2.5:0.2, что является оптимальным вариантом для печати.