Небольшие роботы, которые плавают по поверхности воды, могли бы помогать следить за природой, искать людей при катастрофах или убирать загрязнения. Но на практике с ними много возни: быстро садится батарейка, некуда пристроить камеру или датчики, да и управлять ими точно почти невозможно. Обычные способы двигаться — с помощью пьезоэлементов, магнитов или сплавов с памятью формы — работают лишь отчасти. Многие такие роботы вынуждены висеть на проводе или не умеют подстраиваться под обстоятельства.

Природа умнее. Водные жуки, например, выпускают капельку жидкости с низким поверхностным натяжением и за счёт этого быстро скользят по воде. Этот принцип называют эффектом Марангони. Он давно вдохновляет инженеров на создание экономичных движителей. Значит, очень нужен автономный водный робот, который умеет точно маневрировать, подстраиваться под среду и сам собирать данные.

Исследователи из Университета Макао и Хуачжунского университета науки и технологии сделали программируемых роботов в форме листьев, которых назвали S-акваботы. Они работают от двигателя Марангони. Статья о них вышла в журнале eScience. Эти роботы размером с пару сантиметров питаются спиртом, у них гибкая электроника и внешность, подсмотренная у растений. Они плавают тихо, почти не тратят энергию и умеют приспосабливаться к обстановке. В испытаниях роботы объезжали препятствия, собирали мусор с воды и передавали видео в реальном времени. Это открывает дорогу к долгой работе на открытых водоёмах.

Главная изюминка — программируемый двигатель на эффекте Марангони (ПМ-двигатель). Спирт хранится в камерах внутри робота. По крошечным каналам, похожим на жилки листа, он дозированно выпускается наружу под управлением электромагнитов. Из-за разницы поверхностного натяжения вода толкает робота вперёд. Расход спирта снизился в 3,5 раза. Всего 1,2 миллилитра этанола позволяют роботу плыть 226 секунд и преодолеть почти 5 метров. Акваботы умеют разворачиваться, крутиться на месте и двигаться по заданной траектории — например, проплыли путь в форме бабочки, ориентируясь на пятна от лазера. Так разработчики показали, что управление может быть гибким.

Форма листа помогает маскироваться среди плавающих растений. Движение почти бесшумное — около 40 децибел, как обычный природный шум. В зависимости от формы роботы по-разному ведут себя на воде: одни быстрее, другие устойчивее, третьи лучше прячутся. Можно ставить на них миниатюрные камеры или датчики — тогда они передают видео и собирают данные об освещённости или температуре воздуха часами. Гибкая электроника позволяет управлять роботом без проводов, он сам реагирует на команды и связывается с оператором на расстоянии до 50 метров. Всё вместе даёт новую стратегию для создания адаптивных, автономных надводных роботов, которые не только работают с пользой, но и почти не выдают себя.

Профессор Чжун Вэнь, один из авторов работы, сказал:

Наши роботы, вдохновлённые листьями, показывают, как подражание природе и современные материалы помогают справиться со старыми проблемами водной робототехники. Мы соединили программируемый двигатель Марангони с гибкой электроникой и получили точное управление и многофункциональность в автономном водном роботе. Тихий ход и природная маскировка открывают возможности для незаметного наблюдения за природой. Мы считаем, что это не просто технический прорыв, а образец для умных, гибких и естественно вписывающихся в среду роботизированных систем для самых разных водоёмов.

Сферы применения широки. Бесшумное движение и маскировка позволяют следить за экосистемами, не тревожа животных. С камерой или датчиками акваботы могут искать загрязнения, проверять качество воды или собирать погодные данные неделями. Точное управление пригодится при поиске людей после наводнений или аварий — крошечные роботы способны забираться в опасные или труднодоступные места на воде. В будущем, если добавить солнечные батареи, они смогут плавать ещё дольше. Эта работа — важный шаг к универсальным, приспосабливаемым и не вредящим природе водным роботам для охраны окружающей среды, научных исследований и ликвидации последствий бедствий.

Для науки эта работа интересна тем, что показывает: эффект Марангони, который раньше использовали в основном как курьёз или для простейших игрушек, можно превратить в управляемый и программируемый двигатель. Исследователи нашли способ дозировать топливо через капиллярные каналы, управляя процессом электромагнитами, — это почти как нервная система у насекомого. Появляется новая глава в миниатюрной гидродинамике: теперь можно проектировать движители без пропеллеров и шестерёнок. Ещё один вклад — гибридная гибкая электроника, которая уживается с жидким топливом и водой. Это подсказка для других инженеров, как делать автономные устройства на стыке химии, материаловедения и робототехники.

В реальной жизни польза может выйти за рамки лабораторных бассейнов. Представьте сеть таких листочков-роботов, которые день за днём дрейфуют по реке или озеру, собирают данные о разливах нефти или цветении водорослей и при этом стоят копейки. Или спасатели запускают десяток акваботов в затопленный район — те тихо проскальзывают между деревьями и передают картинку с камер, где человеку не пройти. Сбор мусора с поверхности тоже становится автоматическим: робот может подплыть к пятну масла или пластиковой бутылке и даже собрать её, если добавить простой захват. Ещё одно полезное свойство — бесшумность. Для биологов это подарок: можно наблюдать за птицами или земноводными, не пугая их громкими моторчиками.

Главная слабость работы — зависимость от расхода топлива. Этанол кончается, и 226 секунд плавания — это меньше четырёх минут. Для реального мониторинга озера или реки этого смехотворно мало. Даже с солнечными батареями, которые авторы упоминают как перспективу, проблема остаётся: спирт нужно где-то  хранить, а его запасы на борту размером в несколько миллилитров — это несерьёзно для долгой миссии. Либо робот должен возвращаться на базу для дозаправки, либо использовать воду как топливо, чего пока нет.

Второй момент — управление траекторией. Лазерные пятна для движения по форме бабочки выглядят красиво, но в реальной природной обстановке лазера нет. А собственного автономного зрения у робота нет — он не видит препятствия сам, если не ставить камеру. Но камера и процессор для неё снова съедят энергию и место. Значит, сейчас «программируемость» — это фактически заданная траектория движения, а не адаптивное поведение в меняющейся среде.

Наконец, эффект Марангони работает только на чистой водной поверхности. Если вода уже загрязнена поверхностно-активными веществами (моющие средства, нефтепродукты, разложившаяся органика), градиент натяжения падает или исчезает. Робот просто перестанет двигаться. Это сильно ограничивает применение там, где он больше всего нужен — в грязной воде.

Ранее ученые создали робота, способного прыгать по воде.