Исследователи описали свое достижение 18 января в журнале Science Advances. Они говорят, что подобные материалы однажды помогут создать «мягких роботов» (тех, которым для движения не нужны шестеренки или другие жесткие компоненты) для прыжков или подъема.

По словам соавтора исследования Тимоти Уайта, композитный материал ведет себя примерно так же, как кузнечики прыгают, накапливая и высвобождая энергию в своих лапках.

В природе многие приспособления, например, ноги кузнечика, используют накопленную энергию, такую как упругая неустойчивость, — сказал Уайт, профессор химической и биологической инженерии в CU Boulder.

Мы пытаемся создать синтетические материалы, которые имитируют эти природные свойства.

Новое исследование использует преимущества необычного поведения класса материалов, называемых жидкокристаллическими эластомерами. Эти материалы представляют собой твердые и растяжимые полимерные версии жидких кристаллов, используемых в ноутбуках и телевизионных экранах.

В ходе исследования группа специалистов изготовила небольшие пластины жидкокристаллических эластомеров размером с контактную линзу, затем поместила их на горячую плиту. Когда эти пленки нагревались, они начинали деформироваться, образуя конус, который поднимался вверх, пока внезапно и взрывообразно не выворачивался наизнанку — всего за 6 миллисекунд материал поднимался на высоту, почти в 200 раз превышающую его собственную толщину.

Это открывает возможности для использования полимерных материалов в таких областях, как мягкая робототехника, где нам часто нужен доступ к столь высокоскоростным, мощным приводным механизмам, — добавила ведущий автор исследования Тейлер Хебнер, получившая докторскую степень в области химической и биологической инженерии в CU Boulder в 2022 году.

Случайное открытие

Хебнер, которая сейчас является постдоком в Орегонском университете, обнаружила это прыгающее поведение почти случайно.

Она экспериментировала с различными видами жидкокристаллических эластомеров, чтобы увидеть, как они меняют свою форму при изменении температуры. Джозель Маккракен, старший научный сотрудник лаборатории Уайта, присоединилась к ней для наблюдения.

Мы просто смотрели, как жидкокристаллический эластомер лежит на горячей плите, и думали, почему он не принимает ту форму, которую мы ожидали. Внезапно он спрыгнул прямо с испытательного стола на столешницу, — говорит Хебнер.

Мы смотрели друг на друга, и радость смешивалась с волнением.

С помощью тщательных экспериментов и помощи коллег из Калифорнийского технологического института команда обнаружила, что именно заставляет их материал совершать высокие прыжки.

Уайт объяснил, что каждая из этих пленок состоит из трех слоев эластомера. По его словам, эти слои сжимаются при нагревании, но два верхних слоя сжимаются быстрее, чем нижний. Это несоответствие в сочетании с ориентацией молекул жидкого кристалла внутри слоев приводит к тому, что пленка сжимается и образует форму конуса. Это похоже на то, как окрашенные виниловые панели могут деформироваться под воздействием солнечных лучей.

По мере формирования конуса в пленке нарастает напряжение, пока в один момент не раздается щелчок! Конус переворачивается, ударяя по поверхности и поднимая материал вверх. Одна и та же пленка может прыгать несколько раз, не изнашиваясь.

Прыжки вперед

Жидкокристаллические эластомеры являются универсальными. Исследователи могут настраивать свои пленки так, чтобы они прыгали, например, при охлаждении, а не при нагревании. Они также могут снабдить пленки ножками, чтобы заставить их прыгать в определенном направлении.

Большинство роботов, вероятно, не смогут использовать такой эффект подпрыгивания, чтобы заставить свои части двигаться. Но Уайт сказал, что проект показывает, на что могут быть способны подобные материалы — накапливать внушительное количество упругой энергии, а затем высвобождать ее одним махом. И, по словам Хебнер, проект привнес в лабораторию немного радости.

Это отличный пример того, как фундаментальные концепции могут трансформироваться в конструкции, которые работают сложным и удивительным образом, — заключила она.

Кузнечики, познакомьтесь со своим новым конкурентом.