Создан робот, который может превращаться в жидкость и затвердевать обратно

Фото: Chinese University of Hong Kong

Прямо как в «Терминаторе-2».

Ученые совершили прорыв в робототехнике, создав робота, который может «переключаться» между жидким и металлическим состояниями. Это позволяет ему перемещаться в самых сложных условиях и преодолевать различные препятствия без ущерба для прочности.

В новом исследовании ученые вдохновлялись морскими огурцами, которые могут очень быстро и обратимо изменять свою жесткость, сжимаясь и растягиваясь. По словам исследователей, их задача состояла в том, чтобы имитировать этот процесс в системах мягких материалов.

Морские огурцы, или голотурии, относятся к классу беспозвоночных типа иглокожих.

Представители разных видов отличаются друг от друга формой щупалец и известкового кольца (твердого образования, которое окружает глотку животного), а также внутренним строением. Их тело может быть как округлым, так и продолговатым, шипов на нем нет, кожа шероховатая и морщинистая. Рот окружен венчиком из 10—30 щупалец, служащих для захвата пищи.

Исследователи заставили роботов преодолевать полосы препятствий, забирать или доставлять объекты и даже разжижаться, чтобы выбраться из клетки, прежде чем снова принять свою первоначальную форму.

«Предоставление роботам возможности переключаться между жидким и твердым состояниями наделяет их большей функциональностью», – Ченгфэн Пан, соавтор исследования из Китайского университета Гонконга.

Небольшие роботы могут найти множество потенциальных применений благодаря тому, что они могут передвигаться в пространствах, слишком тесных, запутанных или даже опасных для людей. Они могут проводить сложные ремонтные работы или доставлять лекарства. Но роботы из обычных материалов не подходят для навигации в ограниченном пространстве.

Чтобы найти компромисс ученые использовали нетоксичный материал, способный легко «переключаться» между мягким и жестким состояниями при температуре окружающей среды. Они обратились к галлию, мягкому металлу, температура плавления которого составляет 29,76 °C при стандартном давлении. Это всего на несколько градусов ниже температуры человеческого тела, поэтому вы можете расплавить галлий, просто держа его в руке.

Исследователи внедрили в матрицу галлия магнитные частицы и создали «магнитоактивную машину перехода твердой фазы в жидкую».

«Магнитные частицы здесь играют две роли. Во-первых, они делают материал чувствительным к переменному магнитному полю, поэтому вы можете с помощью индукции нагревать материал и вызывать фазовый переход. Но магнитные частицы также придают роботам подвижность и способность двигаться в ответ на изменение магнитного поля», – Кармел Маджиди, соавтор исследования из Университета Карнеги-Меллона.

Проверив, является ли переход из твердого состояния в жидкое обратимым, исследователи провели своих маленьких роботов через ряд тестов. Роботы могли перепрыгивать через небольшие рвы, преодолевать препятствия и даже разделяться для выполнения совместных задач, перемещая объекты, прежде чем объединяться и снова затвердевать.

Для наглядной демонстрации эксперимента ученые создали небольшую гуманоидную версию робота в форме фигурки LEGO, которая «растаяла» для того, чтобы сбежать из маленькой тюремной камеры. Затем команда исследовала практические приложения. Они создали модель человеческого желудка, откуда робот смог достать инородный предмет в форме шарика, расплавившись и обернув себя вокруг него. 

Также роботы могли перемещаться по цепям для их ремонта и плавиться на них, выступая в роли проводника и припоя, и даже действовать как застежка, просачиваясь в резьбовые гнезда для винтов и затвердевая, выполняя функцию винта без необходимости закреплять что-либо на месте.

Для реальных приложений машина фазового перехода потребует некоторой настройки. Поскольку человеческое тело имеет более высокую температуру, чем температура плавления галлия, робот, предназначенный для биомедицинских целей, должен иметь матрицу из сплава на основе галлия, которая позволит не плавиться при температуре около 37 °C и сохранять функциональность.

«То, что мы показываем, – это всего лишь разовые демонстрации, доказательства концепции, но потребуется гораздо больше исследований, чтобы понять, как это на самом деле можно использовать для доставки лекарств или для удаления посторонних предметов из человеческого тела», — пишут исследователи.