Несмотря на распространенность робототехники в мире, процесс их создания и совершенствования не прекращается, а только набирает оборотов. Кто-то пытается сделать роботов, чьи движения будут максимально близки к человеческим, кто-то создает машины, оснащенные кучей датчиков и возможностью анализировать множество параметров окружающей среды, а кто-то уделяет внимание мягким роботам. Методов создания мягких роботов множество, и каждый из них обладает рядом преимуществ и недостатков. Последние проявляются особенно явно, когда задачи робота или его среда работы выходят за рамки «нормы». Ученые из Виргинского университета (Шарлотсвилл, Виргиния, США) разработали новый метод создания мягких роботов, способных ходить по воде, как водомерка. В чем особенность новой методики, как именно работают роботы, и где они могут стать полезны? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Разработка устройств для передвижения по поверхности жидкости обладает огромным потенциалом для широкого применения в мониторинге качества воды и в операциях поиска и спасения на воде. Фундаментальное условие удержания на поверхности жидкости требует конструкций с низкой массой корпуса, и мягкие тонкие пленки быстро становятся многообещающим решением. Их минимальная толщина и высокая механическая гибкость обеспечивают отличную совместимость с текучестью жидкости, что делает их идеальными для мягких роботов, способных двигаться по поверхности. Мягкие пленки уже широко применяются в «кожеподобной» электронике, гибких сенсорах и мягкой робототехнике. Как правило, такие пленки изготавливают на твердых подложках, например на кремниевых или стеклянных пластинах, с использованием методов центрифужного нанесения (spin coating), погружного покрытия (dip coating), печати и электроформования волокон (electrospinning), после чего их механически переносят на целевые подложки.

Несмотря на значительные успехи в минимизации толщины мягких пленок, сохраняются проблемы с их переносом без повреждений. Энергия деламинации, необходимая для отделения пленок от подложек, часто сравнима или даже ниже энергии механической деформации самих пленок, что делает их уязвимыми к повреждению и разрыву. Учитывая специфику применения в водной среде, изготовление мягких тонких пленок непосредственно на поверхности жидкости представляет собой простой и эффективный способ бесшовного создания устройств для передвижения по воде. Жидкие подложки по своей природе обеспечивают ультрагладкую поверхность, что позволяет мягким полимерным чернилам равномерно растекаться и формировать пленки с исключительной равномерностью по толщине и сверхнизкой шероховатостью поверхности, превосходя традиционные технологии изготовления на твердых подложках.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают метод HydroSpread — экономичный метод формирования мягких полимерных тонких пленок непосредственно на поверхности жидкой среды с последующим их лазерным гравированием. Была исследована динамика растекания полимерных чернил на несмешивающейся жидкой подложке и подтверждена экспериментальная реализуемость получения геометрически тонких и равномерных пленок с ультранизкой шероховатостью поверхности, находящейся в полном согласии с теоретическими предсказаниями. Метод позволил реализовать высокоточное лазерное гравирование структур различной сложности — от простых элементов (полос, кругов, резких изгибов) до рисунков с тонкими локальными деталями. Был также продемонстрирован быстрый теплоперенос через интерфейс пленка-жидкость на основе анализа методом конечных элементов (FEA от finite element analysis). При воздействии глобального нагрева были выявлены два режима деформации двухслойных мягких композитных пленок — изгиб и потеря устойчивости, что было подтверждено как экспериментально, так и в результате численного моделирования. Используя выявленные механизмы взаимодействия пленки и жидкости, были изготовлены два ходячих по воде устройства — HydroFlexor и HydroBuckler, для которых было показано управляемое движение за счет изгиба и переходов потери устойчивости. Представленный подход оказался совместимым с широким спектром полимерных и композитных чернил, а также с различными типами жидких подложек.

Результаты исследования

Изображение №1

На 1A(i) представлены оптические изображения капли (5 мкл) чернил на основе полидиметилсилоксана (PDMS 184 в соотношении 10:1 между базовым компонентом и отвердителем, если не указано иное; окрашенный для усиления контраста), распространяющейся по поверхности воды. При осаждении при комнатной температуре наблюдается быстрое и равномерное растекание, сопровождающееся изменением окраски, что обусловлено положительным коэффициентом растекания на воде. Через ~10 минут процесс достигает равновесия, формируя стабильную, непрерывную тонкую пленку, остающуюся на поверхности воды после полного отверждения (~8 часов). Этот процесс обозначается как HydroSpread. Для количественной характеристики динамики растекания была использована методика лазерной рефлексии, позволившая отслеживать радиальное распространение капель. Лазерная линия, проецируемая на интерфейс, прерывается на границе между окрашенной пленкой PDMS и водной подложкой (видео №1).

Видео №1

Совпадение радиусов измерения по всем направлениям подтвердило равномерное аксиально-симметричное растекание, приводящее к образованию круговой пленки на поверхности воды. Испытания на отслаивание показали слабое межфазное сцепление отвержденной пленки PDMS с поверхностью воды (~0.05 Дж/м², независимо от толщины пленки, полностью определяемое ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями), что обеспечивает ее быстрое отделение без повреждений (1A(ii)). Целостность структуры пленки была проверена механическим испытанием на прокол: острая игла погружалась в сформированную пленку PDMS на воде (1A(iii)). Благодаря текучести водной подложки напряжения перераспределялись в латеральном направлении, что задерживало разрушение и повышало эффективное предельное напряжение. При подъеме в воздух пленка теряла устойчивость из-за своей тонкой, мягкой и податливой природы (1A(iv)). Дополнительно был проведен оптический лазерный профилометрический анализ с использованием проекции изображения смайлика через пленку PDMS. Полученный рисунок практически совпадал с исходным без искажений пикселей, что дополнительно подтвердило равномерность толщины и однородность сформированной PDMS-пленки на поверхности воды.

На 1B показана зависимость радиуса растекания для различных капель чернил на поверхности водного раствора. Во всех системах наблюдается быстрое начальное растекание, за которым следует выход на равновесный устойчивый радиус, что хорошо согласуется с наблюдениями, представленными на 1A(i). С теоретической точки зрения, самопроизвольное растекание капли на несмешивающейся жидкой поверхности обусловлено конкуренцией между свободной энергией системы, включающей как саму каплю чернил, так и интерфейс капля–жидкая подложка (G), и энергией диссипации, возникающей вследствие вязкого течения капли чернил (Φ). Для капли объемом V на жидкой поверхности радиус растекания (r) определяется балансом между высвобождением свободной энергии системы и вязкой диссипацией энергии, то есть −(dG/dt) = Φ, что приводит к выражению:

Здесь S, Δρ, h(t), τ и r_f обозначают коэффициент растекания, эффективную разницу плотностей между каплей и жидкой подложкой, максимальную высоту в момент времени t, силу натяжения контактной линии и радиус фронта растекания соответственно, тогда как g и A — это гравитационная постоянная и эффективная константа Хамакера. На 1B представлено поразительное совпадение радиуса растекания капель чернил между экспериментальными измерениями и теоретическими предсказаниями, что указывает на надежность метода отслеживания динамики растекания с помощью лазерной рефлексии.

Формирование тонкой пленки определяется способностью капель чернил растекаться по жидкой поверхности. При одинаковом коэффициенте растекания (S), в отличие от твердых подложек, жидкая поверхность исключает эффект пиннинга благодаря своей врожденной гладкости, что обеспечивает однородное растекание прекурсора. Дополнительно низкое трение на границе жидкость–жидкость способствует точному контролю над толщиной пленки, что в совокупности приводит к исключительной равномерности толщины и сверхнизкой шероховатости поверхности.

Для количественной оценки толщины и шероховатости поверхности отвержденные тонкие пленки были перенесены на кремниевую подложку методом вытягивания (pull-up transfer). На 1C представлены профили толщины PDMS-пленок, измеренные методом трехмерной оптической профилометрии. Постоянная толщина по всей длине сканирования подтверждает ее равномерность, что согласуется с однородной динамикой растекания капель чернил. Локальные флуктуации (максимум ~1.2 нм) отражают шероховатость поверхности пленки, которая практически не изменяется для различных толщин, что подтверждается 3D-профилями морфологии поверхности на 1C (справа). Сходные результаты получены и для пленок, сформированных на других подложках вода/этанол. Кроме того, при использовании одинакового объема капли снижение концентрации этанола в подложке на основе водного раствора увеличивает коэффициент растекания и приводит к уменьшению радиуса растекания (и, соответственно, увеличению толщины пленки), что также хорошо согласуется с теорией. Такая настраиваемость указывает на простой способ регулирования динамики растекания чернил и конечных размеров пленки посредством изменения взаимодействия на границе жидкой подложки. Механизм растекания капли чернил по жидкой поверхности обеспечивает самопроизвольное формирование мягких пленок с синхронно ультратонкой толщиной и сверхнизкой шероховатостью поверхности, достигая рекордно высоких характеристик по сравнению с пленками, полученными на твердых подложках традиционными методами (1D).

Изображение №2

Лазерное гравирование является мощным методом для формирования сложных узоров и структур, однако точное воспроизведение мелких элементов на твердых подложках затруднено из-за локального перегрева и неравномерного теплового рассеяния. Формирование мягких пленок с помощью процесса HydroSpread существенно улучшает теплоперенос за счет уникального интерфейса, что позволяет осуществлять прямое лазерное гравирование с высокой разрешающей способностью и точностью.

На 2A показано сравнение PDMS-полос с различной шириной (W), лазерно вырезанных на жидкой и твердой подложках. Полосы на жидкой подложке точно соответствуют проектным спецификациям. В то же время полосы на твердой подложке демонстрируют явные отклонения; даже полоса с W = 0.2 мм не формируется после лазерного гравирования. Сходные результаты получены при гравировании пленок PDMS в круглую форму или полилинию с острым углом. В частности, на твердой подложке круг радиусом 0.3 мм и полилиния с углом 2° не могут быть сформированы (2B, 2C).

Для треугольной структуры на 2D дополнительно показана масштабируемость лазерного гравирования на жидких и твердых подложках. При снижении высоты гравирования от 4 до 1 см рисунок на жидкой подложке сохраняет проектные размеры с высокой точностью. На твердой подложке наблюдаются значительные отклонения, и даже при высоте 1 см треугольная структура не формируется. Края узоров могут терять идеальную плоскостность при контакте с жидкостью из-за локальных капиллярных эффектов, когда характерная длина гравирования меньше капиллярной длины.

Результаты анализа методом конечных элементов (FEA) на 2E показывают, что при мощности лазера 15 Вт распределение температуры на твердой подложке охватывает значительно большую область, чем на жидкой подложке, где тепло локализуется в зоне лазерного воздействия. Это подтверждается данными по изменению температуры (верхняя панель на 2F), показывающими более быстрое падение температуры на интерфейсе PDMS-пленки на жидкой подложке по сравнению с твердой. Кроме того, более крутой градиент температуры в плоскости (нижняя панель на 2F) подтверждает ускоренное тепловое рассеяние на жидкой подложке. Сходные результаты получены при мощности лазера 20 Вт.

Видео №2

На 2G показано синхронное и согласованное формирование сложного узора логотипа «UVA» на жидкой подложке, включающего прямые, криволинейные сегменты и острые углы. Гравированный логотип обладает четкими и гладкими границами, в то время как на твердой подложке края получаются шероховатыми и зазубренными. Эти наблюдения подтверждены на других сложных узорах (видео №2). Ключевые переходные зоны (#1, 2, 3) демонстрируют явные отклонения на твердой подложке, особенно в областях с высокой кривизной или острыми переходами.

Измерения параметров, включая длину (d₁), радиус кривизны (R₁) и угол (θ₁), представлены на 2H (верхняя панель). Результаты подтверждают, что формирование узоров на жидкой подложке последовательно воспроизводит проектные размеры, тогда как на твердой подложке наблюдаются явные расхождения. Анализ шероховатости краев линий дополнительно подтверждает высокое разрешение и точность лазерного гравирования PDMS-пленок на жидкой подложке (нижняя панель на 2H).

Изображение №3

Когда на жидкой подложке формируется биматричная композитная пленка с различными коэффициентами теплового расширения, полученная методом HydroSpread (3A), при нагреве механическая деформация на поверхности жидкости определяется ограничениями, вызванными поверхностным натяжением на линиях контакта. Управление характером деформации возможно путем регулирования геометрических параметров, а также механических и термических свойств слоев. Как видно сверху справа на 3A, свободный конец композитной полосы может преодолеть поверхностное натяжение жидкости и частично погрузиться в нее, демонстрируя режим изгиба. В противоположном случае, когда ограничение со стороны жидкости на свободном конце превышает адгезионное взаимодействие между жидкостью и композитной пленкой, тепловое рассогласование, возникающее при нагреве, может вызвать расслоение на границе жидкость–пленка. При этом свободный конец остается зафиксированным, что эквивалентно шарнирной опоре, и возникает режим потери устойчивости (выпучивания), как показано внизу справа на 3A. Путем анализа энергии деформации была разработана механическая модель, позволяющая различать эти два режима с помощью критического угла изгиба (β_cr) на свободном конце, как схематически показано в центре на 3A.

где F_m — сила деформационного несоответствия, возникающая из-за различий в тепловом расширении и геометрической эксцентричности между верхним и нижним слоями, что приводит к появлению теплового момента M_ΔT. Параметры D и γ_fb обозначают, соответственно, изгибную жесткость биматричной композитной пленки и поверхностное натяжение на интерфейсе пленка–жидкая подложка.
4γ_fbL характеризует межфазный момент M_int и совместно с 2Dπ²/bL препятствует внеплоскостной деформации композитной пленки.

Когда угол изгиба β превышает критическое значение β_cr, наблюдается режим изгибной деформации. Например, для биматричной пленки PDMS/PDMS–5% многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT) уравнение выше дает значение β_cr = 0.082, что хорошо согласуется с теоретически предсказанными изгибными и выпучивающими деформациями балки при малых возмущениях. На 3B представлена теоретическая фазовая диаграмма, отображающая области изгиба и выпучивания в зависимости от геометрических параметров композитной пленки и ее составляющих слоев — отношения ширины к длине (b/L), отношения толщин (h_a/h_b) и отношения модулей упругости (E_a/E_b). Теоретические предсказания демонстрируют высокую степень согласия с экспериментальными данными для обоих режимов деформации.

Видео №3

Параллельно был выполнен численный анализ методом конечных элементов (FEA) для биматричных композитных пленок на жидкой подложке. На 3C представлено количественное сравнение изгибных и выпучивающих деформаций, полученных экспериментально, теоретически и методом FEA. Как угол изгиба (β), так и отношение амплитуды к длине волны выпучивания (δ/λ) нелинейно увеличиваются с ростом температуры нагрева (ΔT), что находится в хорошем согласии с теорией и результатами численного моделирования. Это согласие сохраняется и при изменении геометрических параметров пленки и ее компонентных слоев. Серии изображений деформации при ΔT = 70 °C (справа на 3C; видео №3) дополнительно подтверждают высокую согласованность экспериментальных наблюдений с результатами численного моделирования для обоих режимов деформации.

Слева на 3D представлена эволюция угла изгиба (β) в течение одного цикла нагрева. Последовательные снимки демонстрируют постепенное увеличение β по мере повышения температуры, за которым следует полное восстановление исходной формы при последующем охлаждении. Это указывает на обратимый характер изгибной деформации мягких пленок. После многократных циклов нагрева каких-либо признаков деградации деформации не наблюдается (справа на 3D), что подтверждает стабильное и воспроизводимое поведение при циклическом термическом воздействии.

Режим выпучивания также был исследован при циклическом нагреве (3F). На последовательных снимках хорошо прослеживается изменение отношения амплитуды к длине волны выпучивания (δ/λ) в ходе одного цикла нагрева, что отражает зарождение и релаксацию деформации выпучивания. На 3G приведены количественные зависимости δ/λ как для одного (слева), так и для нескольких (справа) циклов нагрева. Стабильные значения δ/λ без признаков деградации при многократных термоциклах подтверждают надежность и обратимость деформации выпучивания на жидкой поверхности, аналогично поведению при изгибе, показанному на 3E.

Изображение №4

После детального изучения теплово-индуцированных режимов деформации биматричных композитных пленок на жидкой поверхности были разработаны два прототипа устройств, демонстрирующих способность к самоходному движению по воде. В этих устройствах использовались чернила на основе PDMS и PDMS с добавлением 5% многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT) для формирования двухслойных пленок методом HydroSpread.

Деформация таких пленок активируется при глобальном нагреве на воздухе. На 4A представлена геометрическая схема устройства с плавниковым механизмом тяги. Основное тело устройства обеспечивает жесткое закрепление двух боковых плавников за счет увеличенной площади контакта и повышенной адгезии к поверхности жидкости, тогда как их свободные концы имеют меньшую площадь сцепления и могут свободно деформироваться.
При нагреве свободные концы плавников изгибаются и частично погружаются в воду. После погружения тепло быстро рассеивается, и плавники восстанавливают исходную форму на поверхности, демонстрируя обратимый цикл деформации.

На 4B (сверху) показаны оптические снимки трех экспериментальных макетов после лазерной обработки двухслойных пленок. Помимо изгиба, треугольная форма плавников создает градиент жесткости при изгибе вдоль их вертикального сечения, что приводит к возникновению крутящего момента вдоль продольной оси и, как следствие, к скручиванию. Моделирование методом конечных элементов (внизу на 4B) подтверждает наличие комбинированной изгибно-скручивающей деформации. Такая согласованная деформация позволяет плавникам попеременно погружаться и выходить из воды в ответ на циклическое тепловое воздействие, создавая гидродинамическую тягу, аналогичную гребковому движению. Этот тип движения получил название HydroFlexor.

Видео №4

Благодаря асимметричному дизайну плавников, можно управлять как направлением, так и скоростью движения устройства. Так, при симметричном дизайне (вариант 2), когда тяговые силы, возникающие при деформации и восстановлении, уравновешены, устройство HydroFlexor движется по прямой траектории при ΔT = 70 °C (4C и видео №4). Экспериментальная траектория практически совпадает с заданным направлением, обозначенным пунктирной красной линией. Это совпадение, подтвержденное в трех разных ориентациях (4C(ii)), демонстрирует высокую точность и воспроизводимость движения. Кроме того, при повышении температуры нагрева (ΔT) увеличиваются амплитуда и частота восстановления деформации плавников, что приводит к росту скорости движения (4C(iii)). Это согласуется с увеличением углов изгиба при более высоких температурах, показанных на 3C.

В случае асимметричных плавников (4D) наблюдается поворотное движение устройства. Так, при L₁ < L₂ (дизайн 1 на 4B) устройство демонстрирует поворот по часовой стрелке (4D(i)), тогда как при L₁ > L₂ (дизайн 3 на 4A) наблюдается вращение против часовой стрелки (видео №4). В обоих случаях экспериментальные траектории совпадают с проектными (обозначены синими пунктирными линиями на 4D(ii)). Кроме того, радиус поворота (R_t) уменьшается при увеличении ΔT (4D(iii)), что свидетельствует об улучшении маневренности при повышенных температурах. Этот эффект согласуется с результатами FEA (4B), показывающими усиление внеплоскостного кручения в более длинных плавниках. Аналогичные результаты наблюдаются и при уменьшении отношения толщин слоев h_a/h_b: хотя скорость движения снижается из-за уменьшения силы тяги, вызванной изгибной деформацией, общая кинематика сохраняется.

В отличие от основанного на изгибе механизма передвижения типа HydroFlexor, на 4E представлена конструкция устройства, в котором реализован режим локомоции, основанный на потерe устойчивости (buckling). Для этого по периметру корпуса были размещены несколько тонких, термочувствительных “ножек”, длина и количество которых подобраны с учетом морфологических особенностей водомерки (Aquarius remigis), а также на основе фазовой диаграммы деформаций (3B). Было изготовлено три экспериментальные конфигурации с различной длиной ножек (4F), в которых использовались те же двуслойные структуры PDMS/PDMS-5% MWCNT, что и в устройствах типа HydroFlexor.

Как показали наблюдения при циклическом нагревании ножки испытывают периодическую деформацию с выпучиванием и восстановлением формы на поверхности воды, создавая движение, напоминающее шагающую походку. Направление и скорость движения определяются симметрией деформаций ножек. По результатам FEA-моделирования (внизу на 4F), выпучивание коротких передних ножек выражено слабо, что способствует стабильности устройства, тогда как длинные задние ножки создают значительную силу, направленную вперед. При охлаждении они возвращаются в исходное положение, обеспечивая тяговое усилие, ответственное за поступательное движение — этот тип передвижения обозначен как HydroBuckler.

Видео №5

На 4G(i) и видео выше продемонстрирована прямая траектория движения устройства с симметрично расположенными ножками одинаковой длины (дизайн 2), что гарантирует одинаковую деформацию с обеих сторон. Экспериментальные траектории при ΔT = 70 °C (4G(ii)) хорошо совпадают с расчетными. Направление движения определяется начальной ориентацией устройства на поверхности. При увеличении температуры ΔT скорость передвижения возрастает (4G(iii)), аналогично наблюдаемому эффекту у HydroFlexor (4C). При скорости около 0.6 см/с сопротивление воды составляет 1.4 мкН.

Введение асимметрии в длину ножек приводит к поворотным движениям: устройство с более длинными левыми ножками (дизайн 3) движется по часовой стрелке (4H(i)), тогда как с короткими левыми ножками (дизайн 1) — против часовой стрелки. Экспериментальные измерения траекторий (4H(ii)) демонстрируют высокое совпадение с расчетными прогнозами, подтверждая эффективность управления движением, основанным на деформации выпучивания. Подобно HydroFlexor, радиус поворота уменьшается с ростом ΔT (4H(iii)), что обеспечивает более резкие маневры при повышенных температурах. При уменьшении соотношения толщин слоев наблюдается снижение тягового усилия вследствие уменьшенной амплитуды деформации, что ведет к уменьшению скорости локомоции.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о новой технологии создания и лазерной обработки ультратонких мягких пленок прямо на поверхности жидкости. Жидкая подложка позволяет чернилам из полимеров равномерно растекаться и формировать пленки с очень ровной и гладкой поверхностью, без повреждений при переносе. После этого пленки можно сразу обрабатывать лазером, создавая микроструктуры высокой точности.

С помощью этой технологии были созданы два типа движущихся мягких роботов: HydroFlexor (движение за счет изгиба плавников) и HydroBuckler (движение за счет выпучивания ножек). В обоих случаях деформация управляется нагревом, а скорость и направление движения — геометрией элементов. Эксперименты показали, что роботы стабильно движутся на воде, повторяют заданные траектории, могут двигаться прямо или поворачивать, а их работа остается стабильной после многократных циклов нагрева и охлаждения.

Эта технология открывает возможности для создания мягких плавающих роботов, способных эффективно перемещаться по поверхности воды и выполнять задачи, такие как мониторинг качества воды, экологическое наблюдение, сбор образцов и поиск объектов или спасение на воде. Универсальность метода позволяет использовать различные полимерные материалы и жидкие подложки, а также интегрировать сложные структуры и функциональные элементы, что делает такие устройства перспективными для автономных водных систем и многофункциональных мягких роботов.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?