Инженеры разработали робомедузу, с актуаторами на жидком диэлектрике, которые работают за счет электростатических сил.
Робот имеет беспроводную версию, развивает под водой скорость до 6,1 сантиметра в секунду и способен перемещать легкие предметы. Разработчики предполагают, что в будущем такие роботы смогут помочь в очистке водоемов от загрязнений. Статья опубликована в журнале Science Advances.
Инженеры давно работают над созданием роботов из мягких материалов для работы под водой. Благодаря своей мягкости они неспособны нанести вред подводным обитателям и поэтому могли бы использоваться, например, для безопасного наблюдения за животными и отбора проб вблизи коралловых рифов. Многие существующие прототипы имитируют внешний вид медуз и их характерные движения, однако до сих пор неоднозначным остается выбор подходящего актуатора. Имеющиеся на сегодняшний день варианты недостаточно универсальны. Некоторые из них издают шум и вибрации, чем могут потревожить окружающих подводных животных, другие недостаточно эффективны под водой или ограничивают робота в передвижении, снижая его автономность.
Для решения этой проблемы инженеры под руководством Тяня Лу Вана (Tianlu Wang) из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка разработали свой вариант робомедузы на основе электростатических самовосстанавливающихся актуаторов с гидравлическим усилением HASEL (аббревиатура от Hydraulically amplified self-healing electrostatic actuators). Робот имеет шесть щупалец, а его диаметр составляет 160 миллиметров.
Основная часть робота состоит из запаянной полимерной оболочки с полостями, заполненными жидким диэлектриком, роль которого выполняет силиконовое масло. Поверх этого слоя наносится слой углеродных чернил, выступающих в качестве высоковольтного гибкого электрода. Он защищен от соприкосновения с водой водоустойчивым слоем из скотча, который благодаря своей эластичности выполняет функцию пружины, помогающей щупальцу вернуться в исходное состояние после срабатывания. И наконец, поверх этих слоев расположены усиливающие акриловые пластины миллиметровой толщины.
Чтобы центр плавучести находился выше центра масс, обеспечивая тем самым пассивную устойчивость робота, к его нижней части прикреплен дополнительный груз массой 27 грамм. В беспроводной версии робомедузы в нижней части также находится блок с электроникой и аккумулятором. К верхней части присоединен блок для регулировки плотности и достижения нейтральной плавучести.
Напряжение величиной до 6,5 киловольт подается импульсами через медный провод к углеродному электроду в щупальцах. При этом между электродом и окружающей водой возникает разница потенциалов, которая приводит к сжатию полимерной оболочки и к перераспределению жидкости в замкнутых полостях актуатора. Это вызывает изгибы щупальца в местах расположения полостей с жидкостью, напротив которых также располагаются промежутки между акриловыми пластинами верхнего слоя. При одновременном изгибе нескольких щупалец робомедуза выталкивает воду из купола и двигается в противоположном направлении аналогично тому, как это происходит у настоящего животного.
Максимальная скорость, которую развивает робот при движении вертикально вверх, равна 6,1 сантиметра в секунду, при этом потребление энергии составляет около 100 милливатт. Для управления направлением движения активируют раздельно несколько щупалец, расположенных только с одной стороны.
Можно использовать два щупальца из шести, расположенные диаметрально противоположно, чтобы захватывать и удерживать предметы наподобие манипулятора. При этом оставшиеся четыре щупальца используются для плавания.
Робомедуза может захватывать предметы и бесконтактно, только за счет гидродинамических сил, возникающих во время сокращений щупалец робота в пространстве между ними. Схожий эффект демонстрировали ранее на примере робомедузы другой команды инженеров. Кроме того, робомедузы могут действовать коллективно, чтобы перетаскивать объекты. Захватывая частицы и мелкие предметы в составе роя, они способны очищать водоемы от скопившегося на дне мусора. Для этой цели разработчики создали полностью автономную беспроводную версию робота. В будущем они планируют улучшить взаимодействие отдельных робомедуз в составе роя.
Автор: Андрей Фокин