Такие роботы прекрасно работают в заранее заданных условиях окружающей среды. Например, в цехе машиностроительного предприятия или операционной. Однако, они не могут адаптироваться к сложным мало предсказуемым условиям окружающей среды, например, перемещаться по гравию, песку или грязи, потому что они не могут равномерно распределять давление собственного веса по большой площади.
У беспозвоночных “мягких роботов” (soft robots) есть уникальные преимущества. Их можно сделать очень маленькими в “сдутом“ состоянии. Поэтому, они могут проникать, как мыши, в самые труднодоступные места и передвигаться по самым непроходимым поверхностям.
Многие мягкие роботы были сконструированы с использованием приводов на основе электроактивных полимеров (ЭАП). Например, создан черепахоподобный гибкий микроробот, который может ползать и плавать под водой с помощью ног, приводимых в движение ионно-проводящими полимерными пленками (ИППМ). Однако, реакция приводов на основе ИППМ на управляющие сигналы, как правило, медленная, поскольку ИППМ требует диффузии ионов для функционирования. Ионные полимерно-металлические композиты применялись для изготовления роботов, которые используют волновой принцип передвижения для создания направленной вперед движущей силы. Их движения напоминают движения червей или рыб.
ЭАП гели были использованы для изготовления гелевых роботов (например, в форме морской звезды), которые меняет свою форму под влиянием внешнего электрического поля. К сожалению, и ИППМ и ЭАП приводы обладают серьёзными недостатками, которые делают их широкое использование в мягких роботах невозможным. Например, многие ионно-проводящие полимерные пленки могут работать только в водной среде. А ионные полимерно-металлические композиты имеют короткий срок службы из-за ползучести и деградации материала. EAP-гели требует приложения очень высокого напряжения для обеспечения их эффективного срабатывания.
Обычные органические эластомеры, такие как силикон, деформируются изотропно. При нажатии они прогибаются и расширяются в стороны от места приложения силы. Однако, этим эластомерам можно придать управляемую анизотропию путём внедрения в них объёмных 3D-структур из бумаги или ткани, сложенных по ныне модной технологии “оригами”. “Оригами” структурами легко управлять путём накачивании их воздухом. При управляемом накачивании воздухом, они могут совершать самые разнообразные движения: сжиматься, как гармошка, скручиваться, изгибаться. “Оригами” приводы лёгкие и простые в изготовлении, могут манипулировать объектами с весом в 120 раз превышающем их собственный вес.
Пневматический привод должен удовлетворять трем условиям:
а) он должна быть гибким, управляемым по направлению и силе,
б) следует воспользоваться его нелинейностью для упрощения выполнения функций, которые трудно обеспечить линейными приводами.
в) он должен легко встраиваться в недорогие, простые в изготовлении и функциональные конструкции.
Мы рассматриваем новый класс пневматических приводов для “мягких” роботов на основе “оригами” структур из силиконового полимера, в который внедрены гибкие, но нерастяжимые структуры (бумага, ткань, волокна, нейлоновая сетка, тонкие полимерные пленки, металлические сетки). Авторы данной статьи были заинтересованы в увеличении диапазона движений, возможных для мягких роботов, сохраняя при этом высокое соотношение производительности к цене. В качестве эластомера использовался относительно недорогой и легко обрабатываемый силикон марки Ecoflex.
Ecoflex представляет собой прозрачный, мягкий эластомер, который хорошо противостоит многократным изгибам и рвётся только при его растяжении выше 900% его первоначальной длины. Полиэстер-целлюлозная бумага/смесь целлюлозы бумага имеет высокую прочность на разрыв, легкая и легко обрабатывается путём резки. Бумажные структуры могут быть легко встроены в Ecoflex (бумага хорошо впитывает Ecoflex). Благодаря высокой прочности на разрыв, бумага ограничивает пределы расширения структуры, в которую она встроена, но позволяет структуре легко изгибаться.
Для изготовления пневматических приводов используется процесс “мягкой” литографии. Сначала жидкую эластомерную смесь заливают форму, предназначенную для формирования пневматических каналов. После отверждения эластомера, форму снимают, и отвердевший эластомер помещают в контакт с листом бумаги, пропитанным неотвержденным эластомером. Затем проводят отжиг. И, наконец, проводят отжиг, чтобы создать в структуре герметичные пневматические каналы. Полученное устройство демонстрирует ассиметричную деформацию при нагнетании в пневматические каналы сжатого газа. Например, более высокая прочность бумаги ограничивает растяжение эластичной матрицы, что приводит к изгибам структуры при подаче сжатого газа.
Изготовлены пневматические приводы, обеспечивающие возвратно-поступательное движение и изгиб на основе гофрированных структур (см. рис.1 и рис.2).
Изображенный на рис.2 привод без нагрузки может прийти в развёрнутое состояние примерно со скоростью звука.
Исследователи также протестировали структуры, которые могут сокращаться, изгибаться в ответ на контролируемое количество света, излучаемого встроенным в структуру светодиодом (рис.3).
Излучаемый светодиодом свет нагревает алюминиевую фольгу. В свою очередь, алюминиевая фольга нагревает газ в замкнутой полости привода. Нагревание газа приводит к увеличению его давления. В результате, изображенный на рис.3 привод “раздувается” и сокращается.
Таким образом, показана возможность сочетания высокой растяжимости эластомера Ecoflex с нерастяжимыми, но легко гнущимися листовыми структурами из бумаги, металлической сетки, полимерной пленки для создания пневматических приводов “мягких” роботов. Приводы демонстрируют ряд сложных движений (расширение, сжатие, изгиб, кручение, плюс расширение) при надувании их сжатым газом. Соответствующие движения трудно достижимы, если использовать обычные приводы “жестких” роботов.