Кузнечик

Oct 09, 2023

РУПЕНДРА БРАХАМБХАТТ — 11 марта 2023 г., 12:55 UTC

Сверхлюдей в реальном мире не существует, но когда-нибудь вы сможете увидеть суперроботов. Очевидно, что можно создать роботов, которые будут сильнее, быстрее и лучше людей, но думаете ли вы, что есть предел тому, насколько лучше мы можем их сделать?

Благодаря продолжающимся разработкам в области материаловедения и мягкой робототехники ученые сейчас разрабатывают новые технологии, которые могут позволить будущим роботам раздвинуть границы нечеловеческой биологии. Например, группа исследователей из Университета Колорадо в Боулдере недавно разработала материал, из которого можно было бы создать мягких роботов, способных прыгать в 200 раз выше их собственной толщины. Кузнечики, одни из самых удивительных прыгунов на Земле, могут прыгать в воздух лишь на длину, в 20 раз превышающую длину их тела.

Несмотря на то, что они превосходят насекомых, исследователи, создавшие резиноподобный материал для прыжков, говорят, что они черпали вдохновение у кузнечиков. Подобно насекомому, материал накапливает большое количество энергии в этой области, а затем высвобождает ее всю сразу во время прыжка.

Резиноподобная пленка состоит из жидкокристаллических эластомеров (LCE), специальных материалов, состоящих из сшитых полимерных сеток. Они обладают свойствами эластомеров (используемых для изготовления шин, клеев и мягких роботов) и жидких кристаллов (используемых для изготовления телевизионных дисплеев, искусственных мышц и микроботов) и очень чувствительны к различным внешним раздражителям. В целом, LCE являются более прочными, гибкими и лучшими приводами, чем обычные эластомеры.

Первый автор исследования Тайлер Хебнер и ее коллеги изучали LCE и их способность менять форму. В то время у них не было намерений создавать прыгающего робота, но они наблюдали интересное поведение LCE. «Мы просто наблюдали, как жидкокристаллический эластомер лежит на горячей пластине, и задавались вопросом, почему он не принимает ту форму, которую мы ожидали. Он внезапно выскочил прямо со стадии испытаний на столешницу», — сказал Хебнер в пресс-релизе.

При соприкосновении с горячим местом материал сначала деформировался и переворачивался, а затем внезапно, в течение следующих шести миллисекунд, подпрыгнул в воздух на высоту, примерно в 200 раз превышающую его толщину.

Исследователи поняли, что LCE реагируют на тепло, что привело к развитию материала, похожего на кузнечика. Комментируя эти результаты, Хамед Шахсаван, эксперт по материаловедению из Университета Ватерлоо, который не участвовал в исследовании, рассказал Ars Technica: «LCE обычно реагируют на тепло или свет. В этой работе тепло также используется для выработки энергии. необходимые для деформации и прыжков LCE».

По словам исследователей, материал, похожий на кузнечика, состоит из трех слоев эластомера и жидких кристаллов. Когда материал нагревается, слои эластомера начинают сжиматься, но скорость усадки выше в двух верхних слоях, которые менее жесткие, чем нижний слой. Тем временем жидкие кристаллы также начинают сжиматься. В результате этих непропорциональных изменений возле ног на задней стороне тела робота появляется конусообразное образование.

К четырем углам робота прикреплены четыре ноги: две короткие ноги спереди и две длинные ноги сзади. По мнению исследователей, по сравнению с короткими ножками, более длинные задние ножки обеспечивают более высокую точку контакта, заставляя силу щелчка поднимать материал под нужным углом.

В конусе накапливается большое количество энергии, что приводит к механической нестабильности пленки. По мере дальнейшего нагревания LCE конусообразная формация быстро переворачивается, и материал поднимается в воздух. Авторы исследования отмечают: «Концентрическая упаковка ориентации в каждом из LCE программирует направленное изменение формы в конус. Однако показано, что изменение реакции LCE и механических свойств материалов приводит к временной нестабильности, которая проявляется как отрывок из отдельно стоящего фильма».