Инженеры создали гибкую броню для роботов, вдохновленную защитой броненосца

Броненосец — небольшое млекопитающее, которое сворачивается в плотный шар при малейшей опасности, — стал источником вдохновения для исследователей из Университета штата Северная Каролина. Ученые спроектировали роботизированную структуру, предназначенную для защиты хрупких электронных компонентов от ударов и внешнего воздействия. Это открытие прокладывает путь к созданию защищенной мягкой робототехники и гибкой электроники без потери их легкости.

Девятипоясный броненосец (Dasypus novemcinctus) миллионы лет совершенствовал свой защитный механизм: сочлененный панцирь из костных пластин, покрытых роговыми чешуйками, позволяет ему за считанные мгновения превращаться в практически неуязвимую сферу. Именно это эффективное природное поведение инженеры воспроизвели на технологическом уровне.

Морфо-взаимосвязанный защитный модуль

Устройство, имитирующее природную броню, получило техническое название «морфо-взаимосвязанный защитный модуль» (MIPM). Конструкция состоит из трех различных слоев:

• Внешний слой: имитирует экзоскелет с изогнутыми сегментированными чешуйками, изготовленными методом 3D-печати из полимерной смолы.
• Промежуточный слой: сочетает в себе жидкокристаллический эластомер, датчик деформации на основе серебряных нанопроводов, каптоновую ленту и проводящую ткань, выполняющую роль нагревателя.
• Внутренний слой (эндоскелет): выполнен из прочной бумаги, сложенной гребнями, которая поддерживает ряд жестких полимерных чешуек.

Механизм активации

Когда датчик деформации фиксирует натяжение — будь то легкое трение или сильный удар — он передает сигнал на блок управления. Тот подает ток на нагреватель, что вызывает сокращение жидкокристаллического эластомера и одновременное расширение каптоновой ленты. В результате вся структура мгновенно сворачивается, образуя защитное кольцо, в котором жесткий экзоскелет оказывается снаружи.

«В расслабленном состоянии конструкция остается гибкой, но при активации она трансформируется в жесткую внешнюю оболочку», — поясняет Цзяньюй Чжоу, ведущий автор исследования. Скорость и порог срабатывания можно настраивать, позволяя системе реагировать как на деликатные прикосновения, так и на серьезные столкновения.

В процессе сворачивания чешуйки эндоскелета сцепляются друг с другом, создавая внутренний каркас, который усиливает общую прочность. Испытания показали, что сегментированная броня способна выдерживать нагрузку около 10 ньютонов, чего достаточно для защиты сенсоров и микросхем от повседневных ударов. При этом увеличение количества чешуек повышает жесткость конструкции без существенного утяжеления.

Перспективы применения

По словам Юнга Чжу, профессора машиностроения и аэрокосмической техники, целью работы было найти решение для защиты активно развивающейся, но крайне хрупкой мягкой робототехники. Разработанный модуль MIPM может быть адаптирован практически для любых гибких систем.

Спектр потенциального применения технологии крайне широк: от медицинских носимых устройств до инспекционных дронов и экологических датчиков. Везде, где требуется сочетание гибкости и надежной механической защиты, «принцип броненосца» может оказаться незаменимым. В настоящее время исследовательская группа ищет промышленных партнеров для коммерциализации изобретения.

Данная разработка в очередной раз доказывает, что природа за миллионы лет эволюции уже создала идеальные инженерные решения, которые современной науке только предстоит расшифровать и внедрить в технологии будущего.