Реакция полос гибкого полимера на изменение температуры зависит от их толщины. Здесь показаны полосы от 0,6 мм до 1,6 мм при помещении в воду 65°С. Скорость выпрямления варьируется от 7 до 37 секунд, что позволяет программировать действия робота в определённой последовательности

Инженеры Калифорнийского технологического института с коллегами из Швейцарской высшей технической школы Цюриха создали роботов, способных самостоятельно двигаться без использования каких-либо двигателей, сервоприводов или источника питания. Похоже на вечный двигатель? Не совсем. Дело в том, что каждая пара вёсел или «мышц» способна только на одно движение вёслами после того, как робота опустят в воду. Но изюминка в том, что мышц и вёсел может быть сколько угодно — и они могут срабатывать через разные промежутки времени друг за другом. Таким образом можно заранее программировать траекторию движения робота, а также выполнение им различных действий — например, сброс груза с последующим манёвром уклонения. Научная работа финансировалась научно-исследовательским подразделением армии США (Army Research Office).

Несмотря на кажущуюся простоту, это первые в своём роде устройства, которые для запрограммированных действий в воде используют деформацию материала при изменении температуры. Принцип работы показан в демонстрационных видеороликах.

Список демонстрационных видеооликов

• Один гребок. Пройденное расстояние от одного гребка примерно соответствует 1,15 длины робота.
• Реакция «мышц» на изменение температуры зависит от толщины полос гибкого полимера. На видео показаны полосы толщиной от 0,6 мм до 1,6 мм при помещении в воду 65°С. Скорость выпрямления варьируется от 7 до 37 секунд.
• Движение робота-гребца с двумя парами вёсел. Последовательность гребков регулируется толщиной мышц на первой и второй парах вёсел. Пройденное расстояние от двойного гребка примерно соответствует 1,9 длины робота.
• Движение с левым поворотом. Первая пара вёсел передвигает робота вперёд примерно на 0,5 его корпуса, а весло из второй очереди поворачивает корпус примерно на 21,45°.
• Движение с двумя поворотами. После первого гребка робот поворачивает налево примерно на 21,64°, а после второго гребка поворачивает направо примерно на 21,45°.
• Мускулы из другого материала, которые расправляются при другой температуре 40°С. На видео показано, что предыдущий материал не реагирует на такую температуру. Таким образом, учёные могут программировать робота на различные движения в зависимости от температуры окружающей среды.
• Пример сложного алгоритма. Робот проплывает установленное расстояние, сбрасывает груз, а затем уплывает в обратном направлении. Первое условие обеспечивается более тонкими полосами полимера, которые срабатывают раньше. Крепление груза обеспечивается толстыми полосами, которые реагируют позже и выпускают груз после того, как робот проплыл запрограммированное расстояние.
• Внутренний механизм актуатора показывает, как мышца давит и переводит бистабильный механизм из одного равновесного состояния в другое.

По мнению разработчиков, это исследование в каком-то смысле «стирает границу между материалами и роботами», поскольку в устройстве сам материал выполняет функцию машины: «Наши примеры показывают, что мы можем использовать структурированные материалы, которые деформируются в ответ на экологические сигналы, для управления и движения роботов, — говорит Чайра Дарайо (Chiara Daraio), профессор машиностроения и прикладной физики в отделе инженерных и прикладных наук Калифорнийского технологического института, один из авторов научной статьи.

Робот приводится в движение полосами гибкого полимера, который сжимается при холоде и растягивается при нагревании. Полимер расположен так, чтобы активировать бистабильный переключатель в корпусе робота, который в свою очередь прикреплён к подвижному элементу, например, к веслу для гребка вперёд.

Исследование опирается на предыдущую научную работу по цепям бистабильных элементов для передачи сигналов и конструирования логических вентилей программируемой машины.

Кроме температуры, робот может программироваться на выполнение действий в зависимости от других условий — например, срабатывать на изменение кислотности среды.

Научная статья опубликована 15 мая 2018 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (doi: 10.1073/pnas.1800386115, pdf).