Жидкие кристаллы: Революция в робототехнике

Международная команда исследователей из Университета Ватерлоо разработала новый материал, который обещает совершить переворот в мире робототехники. Этот материал способен служить гибкими искусственными мышцами, заменяя громоздкие моторы и насосы, и придавая роботам естественную, плавную подвижность.

Мягкие роботы, в отличие от своих жестких собратьев, отличаются податливостью и гибкостью, что делает их безопасными для взаимодействия с человеком. Однако материалы, используемые для их движения, зачастую недостаточно прочны для эффективной работы. Исследовательская группа из Ватерлоо нашла способ значительно укрепить «умные» эластичные материалы, внедряя в них жидкие кристаллы (ЖК), которые широко применяются в дисплеях электроники и датчиках. Эти ЖК, смешанные с полимерами, известными как жидкие кристаллы-эластомеры (ЖКЭ), стали основой для новых, более мощных строительных блоков для мягких роботов.

«Искусственные мышцы – это ключ к раскрытию истинного потенциала мягкой робототехники», – отмечает доктор Хамед Шахсаван, профессор химической инженерии в Ватерлоо и руководитель исследовательской группы. «Они позволяют роботам двигаться гибко, безопасно и с высокой точностью. Это особенно важно для таких приложений, как микро-медицинские роботы».

ЖКЭ – это эластомеры, способные к масштабным обратимым и программируемым изменениям формы при нагревании. Ученые обнаружили, что добавление небольшого количества жидких кристаллов в ЖКЭ делает их значительно жестче и до девяти раз прочнее. «Чтобы дать представление о масштабе, волокна из новых ЖКЭ при нагревании способны поднимать грузы, в 2000 раз превышающие их собственный вес», – добавляет доктор Шахсаван.

Кроме того, ЖКЭ демонстрируют выходную работу почти в 24 Дж/кг, что примерно в три раза больше, чем средняя работа, производимая мышцами млекопитающих. Рентгеновский анализ показал, что жидкие кристаллы распределяются внутри ЖКЭ, образуя небольшие включения, напоминающие шоколадные крошки в тесте. Хотя ЖК остаются в жидком состоянии, эти включения ведут себя как твердые частицы, сохраняя свою форму и придавая окружающему ЖКЭ материалу повышенную жесткость при растяжении.

Разработчики ожидают, что ЖКЭ с улучшенными механическими свойствами сыграют важную роль в развивающейся области мягкой робототехники, обеспечивая широкий диапазон движений и мощное перемещение. Эти материалы найдут применение как в доставке лекарств внутри человеческого организма, так и в совместной работе с людьми на производственных предприятиях. «Материалы с такими возможностями крайне востребованы в робототехнике, поскольку они позволяют заменить устаревшие, громоздкие и тяжелые актуаторы и электродвигатели легкими, гибкими искусственными мышцами без потери производительности», – подчеркивает доктор Шахсаван. «Это самая простая, но при этом наиболее надежная стратегия для упрочнения ЖКЭ с сохранением их программируемых свойств».

В международную исследовательскую группу также вошли доктор Тизэйзу Мекконен, профессор химической инженерии в Ватерлоо, Сахад Васанджи и Мэтью Скарфо, аспиранты инженерного факультета в Ватерлоо, доктор М.О. Саед из Кембриджского университета и доктор Антал Якли из Университета штата Кент. В настоящее время исследователи работают над использованием новых материалов в качестве чернил для 3D-печати искусственных мышц.