Исследователи придумали особую мягкую оболочку для роботов-лоз. Такие роботы обычно представляют собой длинные трубочки шириной всего в несколько миллиметров. Новая оболочка помогает им пробираться через самые запутанные лабиринты и при этом не ломать хрупкие предметы вокруг. Секрет кроется в тончайшем слое специальных «мускулов», которые встроили в нужных местах покрытия. Эти мускулы сделаны из жидкокристаллического эластомера — материала, который сжимается под воздействием температуры.

Жидкокристаллический эластомер (ЖКЭ) — это особый вид умного полимера, который сочетает свойства жидких кристаллов и резины. Если объяснять совсем просто: это материал, который при нагревании или освещении ультрафиолетом быстро и предсказуемо меняет свою форму — сжимается, расширяется или изгибается. В данном исследовании ученые использовали его как искусственную мышцу. Они сделали из этого материала тончайшие полоски, встроили в них миниатюрные нагреватели и расположили в нужных местах оболочки робота. Когда нагреватель включается, эластомер сокращается, тянет за собой «кожу», и робот поворачивается в заданную сторону. Благодаря тому, что эти полоски очень тонкие и сильные, они идеально подходят для управления крошечными механизмами.

Управляют роботом двумя способами: регулируют давление внутри его тела и нагревом этих самых мускулов. Ученые выяснили, что если использовать оба метода одновременно, робот слушается лучше всего. Чтобы нагревать мускулы, под ними разместили крошечные гибкие нагреватели, а для контроля давления собрали точную систему.

Чтобы проверить разработку, инженеры взяли гибкого робота диаметром от 3 до 7 миллиметров и длиной около 25 сантиметров. Такие механизмы растут вперед, буквально выворачивая себя наизнанку. Во время испытаний робот смог несколько раз изогнуться на угол более 100 градусов по всей своей длине. Еще одно впечатляющее умение — протискиваться сквозь очень узкие щели, даже если они в два раза уже его собственного диаметра.

Самые наглядные испытания проходили на медицинских и инженерных макетах. В одном случае робота провели по модели человеческой аорты и отходящей от нее артерии. В другом — отправили внутрь сложной модели авиационного двигателя. Чтобы задание было сложнее, на робота закрепили камеру, и он успешно осмотрел все нужные участки внутри макета.

Автор разработки — Тания К. Моримото, профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Она считает, что их работа — это шаг к созданию маленьких и послушных мягких роботов, которые пригодятся там, где пространство ограничено, а работать нужно бережно.

Раньше подобные управляемые роботы-лозы существовали только в большом размере — от сантиметров до метров. Их заставляли сворачивать с помощью обычных пневматических приводов, моторов или тросов. Но все эти методы плохо работают, если пытаться уменьшить робота до миллиметровых размеров. Новая разработка обошла это ограничение.

Сукджун Ким, научный сотрудник лаборатории Моримото, добавляет, что разработанную мягкую оболочку можно приспособить и для других роботов. Например, для носимых устройств с эффектом присутствия (хаптики), для нежных захватов-манипуляторов или для передвигающихся мягких роботов. В планах у команды — сделать так, чтобы робот мог работать дистанционно или вообще сам принимать решения, а также уменьшить его еще сильнее. Результаты исследования опубликовали в журнале Science Advances.

Для науки это исследование ценно тем, что решает давнюю проблему масштабирования. Обычно, чем меньше робот, тем сложнее заставить его гнуться там, где нужно. Приходится выбирать: либо он маленький, но едет прямо, либо большой, но управляемый. Здесь инженеры нашли элегантный способ обойти это ограничение, соединив управление давлением и температурой. Это открывает новое направление — можно будет проектировать микророботов, чья «нервная система» (актуаторы) будет встроена прямо в „кожу“.

Что касается реальной жизни, то тут открываются сразу две большие сферы. Первая — медицина. Представьте, что хирургам не нужно делать большие разрезы, чтобы добраться до закупоренных сосудов или труднодоступных участков. Такой робот сможет сам «врасти» в артерию, аккуратно обойти изгибы и доставить инструменты, лекарства или камеру, не травмируя стенки сосудов. Вторая — промышленность. Диагностика турбин самолетов или сложных трубопроводов сейчас часто требует полной разборки агрегата. Робот-лоза с мягкой оболочкой способен протиснуться внутрь работающей (или остановленной) техники, проверить трещины или засоры, сэкономив огромные деньги на ремонте и простое оборудования.

Хотя результаты выглядят впечатляюще, исследование, скорее всего, проводилось в идеальных лабораторных условиях, которые сильно отличаются от реальной среды. На макетах из пластика или силикона робот ведет себя предсказуемо. Но как поведет себя управление нагревом внутри живого организма? Кровоток будет постоянно охлаждать нагреватели, сбивая калибровку и требуя больше энергии. В реальном авиационном двигателе к факторам жары, масла и вибрации добавится вопрос надежности: если тонкая пленка нагревателя порвется об острый край, робот застрянет внутри дорогостоящей техники. Кроме того, скорость «роста» и управления пока не указана. Если робот будет двигаться слишком медленно, это сведет на нет его практическую пользу в операциях, где каждая минута на счету.

Ранее ученые разработали новый тактильный датчик для роботов.