Двадцатые годы XXI века отметились рядом интересных тенденций в робототехнике. Эта наука всегда находилась в поиске оптимальных решений, благодаря которым человечеству получится выжать максимум эффективности из роботов и адаптировать их под выполнение весьма неожиданных задач. Очевидный пример — монотонная работа на конвейерах, исследования космического и водного пространства, а также посещения действующих вулканов.

Перекладывать эти задачи на человека слишком дорого, сложно или опасно. Прогресс в области микроэлектроники, материаловедения и особенно динамической обработки больших массивов данных позволил роботам выйти на совершенно новое поле игры. Им стал микромир.

Микроботы: новые участники игры

Статья, где мы разбирали принципы «мягкой» робототехники, касалась экспериментальных образцов с осязаемыми габаритами. Впрочем, научная группа Jungwook Paek, Inho Cho и Jaeyoun Kim из Государственного университета Айовы, США, решила ворваться в микромир, используя ранее известные наработки. Об этом было заявлено в статье «Microrobotic tentacles with spiral bending capability based on shape-engineered elastomeric microtubes», опубликованной под эгидой «Scientific Reports», Nature. 

За этим достижением скрыта огромная работа по части сопромата, материаловедения, информационных технологий и математики. Наша статья подробно расскажет обо всех этих аспектах.

Подразумевалось, что устройство должно эффективно работать с предметами, чьи размеры составляют сотни микрометров, а развиваемое усилие требовалось ограничить сотыми долями миллиньютона. В ином случае манипуляция с экспериментальным объектом рискует завершиться разрушением.

Где же тут природа? Ответ даёт физика. Справиться с подобной задачей способна не лапа, не клешня и не рычаг, лежащие в основе классического манипулятора. Тут нужно щупальце.

На этом этапе можно задать несколько вопросов. Во-первых, зачем изобретать велосипед (вернее, щупальце)? Какую пользу может принести гибкий манипулятор? Существуют ли методы эффективного производства столь необычных структур с динамически изменяемой геометрией?

Разберём эти вопросы последовательно. Специалистам во множестве сфер деятельности, начиная от промышленности с машиностроением и заканчивая медициной, не помешал бы дистанционно управляемый дрон, способный аккуратно воздействовать на мелкие и хрупкие предметы. Из этой концепции уже проглядываются заманчивые перспективы. Это, как минимум, диагностика и даже ремонт техники без необходимости в её отключении. Таким образом возможно добиться экономии внушительных денежных средств, которые в общемировом масштабе могут составлять сотни миллиардов долларов.

К ремонту на месте добавляется возможность строить, модернизировать и даже глобально изменять аппаратуру, не прибегая к её демонтажу. Она может заинтересовать промышленных гигантов, где модернизация крупного завода рискует перерасти в полный снос здания.

Технологии, подобные озвученной, уже существуют в эндоваскулярной хирургии.

Эндоваскулярная хирургия предусматривает операции, проводимые изнутри сосудов. В этом случае хирург может прооперировать головной мозг, введя специальный проводник, направитель и систему отделяемых микроспиралей через бедренную артерию. 

Чтобы провести гибкий проводник сквозь организм, следуя изгибам кровеносных сосудов, врачи применяют рентгеновский контроль. То есть, современный уровень технологий допускает использование длинных и гибких манипуляторов, но они всё равно играют роль продолжения конечности. 

Микроботы — дальнейшее развитие давней концепции, при которой манипулятор приобретает впечатляющую автономность. В общем, перспективы у них есть.

Производство микрощупальца

Чтобы произвести мягкое щупальце, необходимо миновать несколько логически связанных этапов. Сначала следует нанести жидкий полидиметилоксан (PSDM), затем укрепить его путём нагрева и отслоить готовую микротрубку с помощью устройства для удаления волоконно-оптических оболочек. Полидиметилоксан, кстати говоря, известен в быту как силикон.

Полидиметилоксан — линейный полимер диметилоксана. В зависимости от длины молекулы, это вещество может иметь разные фазы: от текучей жидкости до крайне густой смолы. В таком случае PDMS может демонстрировать твёрдость по Шору до 50 пунктов. Эти свойства открывают дорогу для использования PDMS в сфере мягкой робототехники.

На практике исследователи столкнулись с большим количеством трудностей. Основная проблема в том, что силикон — не лучший материал для создания тонких и протяжённых структур. В жидкой фазе он склонен образовывать капли. Для крупных роботов, изготовленных по «мягкой» технологии, это не столь критично, чего нельзя сказать о манипуляторах небольшого размера.

Чтобы микрощупальце не покрылось каплями, научная группа решила «потренироваться на кошках» и отработать методику деликатной полимеризации. Для этого пришлось изготовить PDMS-столбики с высоким соотношением сторон. То есть очень высокие и тонкие. Далее их прогоняли через двухэтапную полимеризацию с помощью нагрева. Во время первого и быстрого этапа происходило «спекание» наружных слоёв. За ним следовал второй этап — более осторожный нагрев, в ходе которого твёрдым становился весь столбик.

С микротрубками, полыми внутри, действует аналогичный принцип. Единственная разница — жидкофазный PDMS «цеплялся» за матрицу из полиамидных проводов и стеклянных оптических волокон. Толщина каждой из них варьируется от 100 до 125 мкм.

Литьё микротрубки начинается с подготовки цилиндрического шаблона из полиамидной проволоки и плавленого кварца. Для этого учёные смешивали поверхностно-активный додецилсульфат с водой, достигая соотношения 1:10. Именно в этот раствор ныряла каждая матрица. Время экспозиции составляло 10 минут.

Далее в ход пошёл PDMS. Каждая капля жидкого силикона отправлялась в ямку глубиной 167 мкм, расположенную на стеклянной подложке. Избыток полимера удалялся миниатюрным ракелем.

Теоретически длина микротрубки, изготовленной по такой технологии, может быть любой. На практике же выяснилось, что верхняя граница проходит по значению 5-8 мм. Всё, что длиннее, неизбежно деформируется во время снятия с матрицы.

Процесс затвердевания PDMS можно как разогнать, так и замедлить. Чем дольше он будет продолжаться, тем больше полимера скопится на нижней стороне будущего щупальца, а значит, усилит асимметрию и позволит манипулятору сгибаться в более тугие спирали. Если этого не требуется, заготовку не запрещается вращать. Равномерное распределение полимера делает стенки однородными по всей площади и объёму.

Пневматический привод и много математики

Микрощупальце работает за счёт пневматического привода. Основа таких актуаторов лежит в перегонке газа из одной части робота в другую, что сопровождается перепадом давления и, соответственно, растяжением эластомеров. На этом строится абсолютно каждое движение «мягких» роботов. В случае с микрощупальцем учёные решили обойтись без экзотики вроде двигателей внутреннего сгорания (Combustion-Driven Actuators, CDA), избрав простой и понятный шприцевой насос.

Итак, микрощупальце закреплено на тупой игле. Шприц гонит воздух вперёд, и воздушный поток устремляется в заранее подготовленную полость и деформирует полимер.

Любая микротрубка является уникальным изделием, поскольку при производстве невозможно контролировать абсолютно каждый фактор. Тем не менее в их поведении существуют общие закономерности. Так, микротрубки с однородной толщиной стенок не сворачиваются в кольцо, не образуют спиралей и ведут себя достаточно пассивно.

Другие микротрубки, заранее «запрограммированные» на изгиб, показали более интересные результаты. В среднем порог давления, после которого начинаются нужные деформации, составляет 4,7 фунта на квадратный дюйм. За пределами порогового давления начинают изменяться основные характеристики щупальца: длина и радиус. Под воздействием воздуха манипулятор вытягивается и растягивается, становясь длиннее на 5% и шире на 18%.

Особая роль принадлежит горбу — по-настоящему прорывной идее. Поскольку он наносится на уже готовую микротрубку и не влияет на её внутреннюю структуру, «горбатые» щупальца имеют огромное преимущество перед композитными и склеенными собратьями. Для начала они стабильно работают в микроскопических масштабах!

Этот в общем-то логичный принцип требует весьма проработанного математического аппарата. Чтобы создать его, исследователи обратились к теории Эйлера-Бернулли. Для начала мы рассмотрим абстрактное приближение для микротрубки без горба. Когда она вот-вот свернётся в кольцо, координаты базовой кривой можно описать методом интегрирования:

Попробуем разобраться в этой магии:

1.      s ∈ [0, L] — естественная координата балки, чья длина прячется под переменной L;

2.      f — синусоидальная функция для u = x (u = y);

3.      E — модуль Юнга материала (берётся из справочника или выводится на месте);

4.      I — второй момент площади (описывает жёсткость против изгиба вдоль осей y и z).

Допустим, что в конкретный момент времени микротрубка имеет один и тот же второй момент площади на протяжении всей длины. Допустим повторно, что давление в микротрубке фиксировано, иначе велик риск уйти в дебри гиперупругих деформаций и пластичности материалов в экстремальных условиях, по сравнению с которыми простой сопромат выглядит не таким уж и страшным.

Дальше история пополняется новым «монстром» под именем изгибающий момент. Он описывается формулой Mo ≡ π • r² • p • d_e. Ну, πr² выглядит знакомо, а как быть с остальными? Под p скрывается текущее, «замороженное» давление газа. d_e — расстояние между нейтральной осью микротрубки и центром внутренней полости. Будь трубка прямой, они бы совпадали, но ведь микрощупальце изогнуто.

Математическое моделирование неумолимо. Оно предсказывает, что микротрубка будет постепенно изгибаться в кольцо, но спираль не образует. Формирование такой фигуры требует повторного входа конечной точки в квадрант при y > 0. Дальнейшее интегрирование по полному циклу сбрасывает x и y до ноля — и никакой спирали не получится.

Впрочем, данные вычисления описывают не конкретное микрощупальце, а поведение сферического коня в вакууме. Изменяя форму, размер и положение горба, можно добиться красивой двухвитковой спирали, одновременно с этим удовлетворив требования математики.

Такая вещь, как поведение микротрубки, вполне поддаётся интегрированию. Всего на манипуляторе можно выделить три зоны, что расположены до горба, сам горб и область после него. Соответственно, интегрирование тоже будет трёхступенчатым.

I₁ и I₀ — значения I перед горбом и после него. Положение и длина горба также указаны через α и β. Исходя из уравнений получается, что синусоидальные функции в подынтегральных выражениях получат резкие фазовые сдвиги в тех случаях, когда I₀ < I₁. Регулируя уровни фазовых сдвигов по осям x и y, можно контролировать точку повторного входа в первый квадрант.

Если допустить, что L • β • (I₁ – I₀)/I₁ ≪ L/ 4, то спирализация щупальца будет описываться следующим образом: β • (I₁-I₀) / (2 • I₁) < α < 0.5 + β • (I₁-I₀) / (2 • I₁).

Скоро мы подберёмся к разгадке, почему одни щупальца могут сворачиваться в спираль, а другие нет. Горб, чья длина составляет 0,05 • L, влияет на изгиб в зависимости от положения.

В эксперименте применялась микротрубка, чьи характеристики при I₀ и I₁ составляли 5,1 • 10-16 и 8,6 • 10-15 m⁴. Следовательно, внутренняя спираль может быть получена только при 0,024 < α < 0,524.

Значение α для горба B составляло 0,55, а значит, было неправильным. Обратная картина наблюдается в случае горба A: его значение всего лишь 0,21 — так близко к целевому, насколько это возможно.

Размеры и форма обоих горбов были идентичны. Отличалось их местоположение. Именно оно стало решающим фактором в деле успешного или провального сворачивания спирали. Как и предсказало математическое моделирование, горб A достиг внутренней спирали с конечным y > 0. Горб B показал себя даже хуже, чем простая, не горбатая микротрубка, в результате чего y < 0.

Испытания микрощупальца

Сперва щупальце должно было поймать и наклонить колонну из плавленого кварца диаметром 125 мкм и длиной 15 мм. Параллельно ей шла жёсткая металлическая проволока 155 мкм в разрезе. Расстояние между оптическим волокном (кварц) и проволокой составляло 290 мкм.

На картинке выше представлено измеренное отклонение колонны из-за силы захвата микрощупальцем. На вставке показана экспериментальная установка, где под MW скрывается металлическая проволока, а SMF — стеклянное оптоволокно. MT — это, соответственно, микрощупальце. Сплошная линия представляет δ_c. Отклонение в точке захвата (h_g) рассчитано для точечной силы нагрузки 0,78 мН. Разумеется, без конфликта теории и практики не обошлось. Измеренное δ_c начинает отклоняться от ожидаемого сразу после превышения 90 мкм. Это максимальный ход, достижимый на использованной установке.

Между приложенной силой F и отклонением δ_c при h_g есть связь, описанная следующим уравнением:

В ней I = πr⁴/4, где r — радиус оптического волокна, а Е — модуль Юнга для плавленого кварца.

Об ощущениях насекомого экспериментаторы умолчали, но судя по всему, оно осталось целым и невредимым.

Проблемы и перспективы мягкой робототехники

Как видно из приведённого обзора, американские учёные добились впечатляющих результатов. Щупальце, способное захватывать столь хрупкие объекты, как рыбья икра или живой муравей, имеет шансы найти применение во множестве сфер деятельности. Чтобы это случилось побыстрее, учёным нужно найти решения для ряда серьёзных проблем.

Проблемы изготовления

Для начала следует упомянуть эластомеры — альфу и омегу мягкой робототехники. Под эластомером понимается двигательный элемент, способный менять форму при воздействии электромагнитной природы: видимым светом, подачей тока, температурой, инфракрасным или иным излучением.

Туда же проходят пневматические приводы, простейший пример которых — воздушный шарик. Пневматический привод состоит из камеры для газа, ограниченной стенками. Стенки обладают разным сопротивлением на растяжение. Когда в камере повышается давление, мягкая стенка изменяет форму, а жёсткая выступает её каркасом. 

Таким образом, условное щупальце может изгибаться. Изгиб модифицируется до закручивания в спираль, когда у щупальца достаточная длина и есть ощутимая разница в упругом сопротивлении рабочей части и подложки. Точные параметры зависят от выбранных материалов и выраженности давления газа.

Такой расклад автоматически поднимает неразрешимые проблемы пневмоприводов. Неразрешимые, потому что недостатки этой технологии прямо вытекают из преимуществ. Газ в камеру нужно подавать строго отмеренными порциями, которые сильно зависят от давления и температуры. Эластичные стенки по-разному ведут себя во время перехода из одного диапазона давления в другой.

В общих чертах это описывается моделью Муни-Ривлина, однако она требует адаптации к конкретному приводу. А вот с этим тоже беда: каждый актуатор является штучным изделием и требует серьёзной «обкатки» со стороны учёных. К тому же газ в камере нужно сначала запереть, а потом как-то стравить с помощью клапана.

При переходе в микромир эти беды возрастают в геометрической прогрессии.

Добавим к этому вопросы производства. Сейчас эластомеры производятся методом трёхмерной печати. Для этого нужна матрица, на которую наносят будущие детали. Дальше их полимеризуют и склеивают, формируя единую структуру. 

Однако подобный технологический процесс плохо подходит для изготовления замкнутых трёхмерных полостей малого и сверхмалого масштаба. Кроме того, использовать классические гофры и клапаны тоже не выйдет: полезный «выхлоп» и прочность конструкции падают пропорционально её линейным размерам. Поэтому исследователям пришлось разрабатывать принципиально новую методику, адаптированную для изготовления микрощупалец.

Проблема тестирования

Каждый эластомер, изготовленный по технологии литья или трёхмерной печати, оказывается уникальным. Проверить, как он будет вести себя во время подачи газа и выявить его «врождённые» склонности можно только в ходе испытаний. Наполнение рабочей камеры газом приводит к закономерному растяжению упругих стенок. Этот процесс неизбежно вызывает появление микротрещин — а значит, изменяет механические свойства силикона. Естественный износ и усталость материала никто не отменял. На данный момент в технической литературе не существует данных о том, как долго «живёт» микроскопическое щупальце. Для микроботов будущего, что будут трудиться в экзотических условиях, такие манипуляторы должны быть расходным материалом с предусмотренной заменой.

Проблемы управления

Существует три подхода к управлению любым роботом:

1. Непрерывно контролировать устройство по радиосвязи;

2. Дать роботу некоторую свободу действий, снабдив технологиями искусственного интеллекта;

3. Комбинировать эти методы, сочетая автономию с эпизодическими проверками через внешние компьютерные системы под управлением оператора.

Учитывая нынешний уровень развития микроэлектроники, установка высокопроизводительной компьютеризированной периферии на микробота — сомнительное решение. Малые размеры автоматически накладывают ограничения на габариты и вес носимого оборудования. Снабдить искусственного «осьминога» полноценными «органами чувств» будет крайне сложно, если вообще возможно. Скорее всего, получать информацию из внешнего мира он будет не от камер и лидаров, а через тактильные стимулы и хеморецепцию . Схожим образом действуют примитивные организмы.

Это автоматически подразумевает, что микробот не будет «умником» — скорее, радиоуправляемым инструментом с жёстко вшитой реакцией на заранее известные триггеры. Из такого предположения логично проистекает тот факт, что кибернетизированное устройство потребует устойчивого канала связи с внешними вычислительными блоками.

Проблемы питания

Главная особенность «мягких» роботов — это гибкость, способность к деформации и отсутствие жёстких деталей в корпусе. К сожалению, такие достоинства ограничивают использование классических элементов питания вроде аккумуляторных батарей. Достаточно перспективной выглядит идея «запитать» микробота на расстоянии через индуктивную связь. Схожим образом работают беспроводные зарядки. Тогда антенны могут использоваться не только для радиосвязи, но и питания внутренней электроники микробота. 

Подобные технологии уже нашли применение в импланируемой бионике. К примеру — спинномозговому мосту. К тому же изменение напряжённости электромагнитного поля может провоцировать некоторые материалы к механическим движениям.

Заключение

На данный момент «мягкая» робототехника проходит драматичный этап проб и ошибок. Миниатюризация добавляет к уже известным проблемам ворох новых, но именно в трудностях сокрыты точки роста. Микроботы уже доказали, что способны безвредно манипулировать отдельными клетками (пусть и крупными, как рыбья икра). Решив сложности с управлением, питанием и налаживанием двусторонней обратной связи, исследователи получат замечательные инструменты для точечных воздействий на микроскопические объекты. Вкупе это приведёт к головокружительному прогрессу во всех смежных областях научно-прикладной деятельности человека.

Автор: Никита Игнатенко

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

- 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS