Инженерный прорыв в США: созданы роботы-оригами, способные двигаться без моторов и механизмов

Сфера мягкой робототехники вышла на новый уровень благодаря исследованию, проведенному в Принстонском университете. Команда инженеров разработала систему производства роботов, которые способны изменять форму и самостоятельно перемещаться, полностью обходясь без двигателей, шестерен или громоздкого внешнего оборудования.

Технология, описание которой появилось в научном журнале Advanced Functional Materials, опирается на искусство оригами. Движение конструкций обеспечивается электрическими импульсами, активирующими «умные» полимеры.

Конец эпохи традиционных двигателей?

Новый метод производства, получивший название послойная прямая печать чернилами (LBL-DIW), решает одну из главных проблем отрасли — зависимость от внешних пневматических или магнитных систем для создания движения.

Ключ к успеху кроется в сочетании жидкокристаллических эластомеров (LCE) с передовой гибкой электроникой. Группа ученых под руководством профессоров Эмили Дэвидсон и Глаусио Паулино смогла интегрировать гибкие печатные схемы непосредственно в шарниры робота прямо в процессе 3D-печати.

Такой подход позволяет избежать использования жестких механических деталей, которые часто ломаются или ограничивают маневренность. При подаче тока шарниры выборочно нагреваются, заставляя материал сокращаться. Это создает запрограммированный сгиб, благодаря которому структура буквально «оживает».

Принцип работы робота-оригами

Для того чтобы пластиковый объект двигался с высокой точностью, исследователи используют эффект Джоуля для нагрева специфических зон полимера. Роботу не нужны внешние механические команды, так как сама структура обладает необходимым «интеллектом» для складывания.

Под воздействием электричества жидкокристаллические эластомеры меняют свою молекулярную конфигурацию, принимая заданную форму согласно паттерну оригами. Точность движений настолько высока, что инженеры продемонстрировали модель бумажного журавлика, способного самостоятельно взмахивать крыльями.

Каждое сочленение оснащено встроенными датчиками температуры, обеспечивающими замкнутый цикл управления. Система в реальном времени корректирует любые погрешности позиционирования, гарантируя возвращение устройства в исходное состояние без деформации или усталости материала.

Упрощенное производство и долговечность

Одной из самых впечатляющих характеристик изобретения Принстонского университета является его износостойкость. Прототипы выдержали более 1500 циклов срабатывания без существенного ухудшения характеристик. Инженеры отмечают, что после короткого периода «обкатки» робот сохраняет стабильную способность к складыванию, что редкость для мягких материалов, подвергающихся многократному термическому воздействию.

Процесс создания таких устройств автоматизирован: специальное цифровое решение переводит схемы оригами в инструкции для 3D-принтера. Ключевые элементы технологии включают:

• Панели из стекловолокна для придания жесткости секциям, которые не должны сгибаться.
• Медные зоны рассеивания тепла, позволяющие материалу быстрее остывать, что удваивает скорость движения.
• Программное обеспечение OriCadLCE — инструмент, созданный для автоматического проектирования путей печати и электрических соединений.

Будущее медицины и исследований

Эта инновация открывает путь к созданию нового поколения автономных машин. Благодаря низкому энергопотреблению они могут работать часами от небольших литиевых батарей.

Поскольку конструкции изначально являются плоскими и самоскладывающимися, они идеально подходят для использования в условиях ограниченного пространства. Это могут быть медицинские имплантаты или микроустройства для доставки лекарств, которые должны развертываться внутри человеческого тела.

«Главный вклад этой работы в том, что мы продемонстрировали интеграцию сложной системы с локальным контролем нагрева. Мы можем управлять активацией в зависимости от того, какую зону мы нагреваем», — пояснил Давид Бершадский, разработавший проект в рамках своей дипломной работы.