По счастливой случайности инженеры из Колорадского университета в Боулдере разработали материал, который сначала деформируется, а затем стремительно сигает в воздух при нагревании. Исследователи говорят, что однажды этот материал можно будет использовать, чтобы помочь мягким роботам прыгать или поднимать предметы.
В рамках исследования, исследователь Тайлер Хебнер, получившая докторскую степень в области химической и биологической инженерии в Колорадском университете в Боулдере в 2022 году, и ее коллеги изучали различные способы поведения класса материалов, известных как жидкокристаллические эластомеры, при воздействии тепла. Эти материалы представляют собой затвердевшую и эластичную версию жидких кристаллов, используемых внутри дисплеев, таких как экраны ноутбуков или телевизоры, и могут даже однажды использоваться в ветровых стеклах для защиты пилотов от временного ослепления лазерными указками.
«Мы просто смотрели, как жидкокристаллический эластомер сидит (* лежит) на плите, и удивлялись, почему он не принимает форму, которую мы ожидали», — сказала Хебнер. «Он внезапно спрыгнул со сцены тестирования на столешницу. Мы оба просто смотрели друг на друга смущенно, но также и взволнованно».
Дальнейшее расследование с коллегами из Калифорнийского технологического института показало, что причиной прыжков было то, что пленка размером с контактную линзу состояла из трех слоев. При нагревании два верхних слоя сморщиваются быстрее, чем нижний слой, в результате чего это принимает форму конуса. В конце концов из-за нарастания напряжения конус переворачивается, ударяясь о поверхность, на которой он нагревается, и резко взмывает в воздух. В ходе испытаний исследователи обнаружили, что всего за шесть миллисекунд пленка может стремительно подниматьсяся ввысь на дистанцию почти в 200 раз больше ее толщины.
Графика, показывающая, как конус медленно строится в «эластомерной» пленке, затем переворачивается, чтобы подбросить пленку высоко в воздух, и всё менее чем за секунду. Фото: Hebner et al., 2023, Science Advances.
«Когда происходит эта инверсия, материал резко прорывается и, как детская поппер-игрушка, он отскакивает от поверхности», — сказал соавтор исследования Тимоти Уайт, профессор химической и биологической инженерии в Колорадском университет в Боулдере. В этом отношении исследование перекликается с исследованием, проведенным в Гарвардском университете в 2020 году, в котором дизайн поппер-игрушки вдохновил на создание актуатора, который однажды может помочь мягким роботам преодолевать труднопроходимую местность.
Исследователи сравнивают действие пленки с тем, как кузнечики демонстрируют свои впечатляющие прыжки, и считают, что это также может иметь место в разработке мягких роботов — тех машин, которые работают без металлических или других твердых материалов, таких как те, что ходят так же быстро, как люди, используя свет и магнитные поля.
«В природе многие приспособления, такие как нога кузнечика, используют накопленную энергию, такую как упругая неустойчивость», — говорит Уайт. «Мы пытаемся создать синтетические материалы, которые имитируют эти естественные свойства».
В рамках раскрытия структуры используемых пленок исследовательская группа обнаружила, что их материал также можно заставить прыгать при охлаждении, а не при нагревании. Они также говорят, что, при добавлении ножек к пленке, материал может получить контроль над направлением. Хотя команда признает, что этот материал не может стать основным источником движения в мягких роботах, они считают, что открытие помогает расширить знания о том, как заставить эти инновационные машины работать лучше, поскольку оно показывает потенциал материалов для хранения, а затем высвобождения энергии при определенных условиях.
«Это яркий пример того, как фундаментальные концепции, которые мы изучаем, могут трансформироваться в проекты, которые работают сложным и удивительным образом», — сказала Хебнер.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Вы можете увидеть материал в действии на видео ниже.
Подожди... прыгай! Видео: University of Colorado Boulder.
Источник: CU Boulder.
