Его мягкие захваты размером с палец покрыты слоем, который отталкивает все.
Ученые создали множество устройств, способных поднимать твердые предметы. Большие механические клешни могут поднимать автомобили. Маленькие клешни могут доставать призы из стеклянной коробки в игровых автоматах. Но эти новые захваты могут поднимать нечто совершенно иное - жидкость.
Инженеры создали первые гибкие захваты, которые могут поднимать и перемещать одну каплю жидкости. Устройство состоит из гибких щипцов. Каждая из них по размеру и форме примерно равна пальцу. Экспериментальные испытания показали, что пара может захватывать капли размером до 2 миллиметров (0,08 дюйма) в поперечнике.
Такое устройство может помочь ученым безопасно работать с биологическими жидкостями, такими как кровь или слюна, говорит Арун Кота. Эта задача может быть особенно полезна в лабораториях, где образцы проверяются на наличие признаков COVID-19, гриппа или других заразных заболеваний. Кота - инженер-механик в Университете штата Северная Каролина в Роли. Он работал над созданием этих новых захватов.
"Инфекционные жидкости сейчас являются огромной проблемой", - говорит он. "Можем ли мы использовать этих роботов в качестве своеобразного защитного щита?"
Его команда описала свое новое устройство в ноябрьском номере журнала Materials Horizons. Они показали, что клещи не только работают, но и могут быть изготовлены из недорогих материалов, таких как обычная клейкая лента. Захваты работают с любыми видами капель. Пока они находятся на стадии тестирования и еще не готовы к реальному использованию.
Инженерная новинка
Новое устройство сочетает в себе технологии из двух областей техники. Одна из них - мягкая робототехника. В отличие от роботов, сделанных из твердых и громоздких материалов, таких как металл, мягкие роботы сделаны из мягкого материала. Инженер-механик Цзяньго Чжао, еще один ученый, работавший над устройством, занимается разработкой мягких роботов. Он работает в Университете штата Колорадо в Форт-Коллинзе.
Другая область - материаловедение, в которой специализируется Кота. Более 10 лет назад он начал изучать материалы, которые являются гидрофобными (Hy-droh-FOH-bik) - то есть водоотталкивающими. Тогда он тоже работал в Университете штата Колорадо. Он не хотел останавливаться на том, чтобы отталкивать воду. Он хотел создать материал, который отталкивал бы любую жидкость. В сотрудничестве с Вэем Вангом, инженером из его лаборатории, он разработал такие материалы. Ванг возглавил новое исследование.
"Многие материалы отталкивают воду, но вблизи спирта или масла они перестают отталкивать", - говорит Кота. Чтобы описать свой новый материал, Ванг и Кота придумали слово "супер-омнифобный". Омни означает "все", а фобик - "отталкивающий".
"Использование технологии мягких роботов было естественным решением", - говорит Чжао. Гибкость мягкого робота, по его словам, делает его идеальным для работы с такой деликатной вещью, как капля. "Мы не хотим ее разбить".
Кота и Чжао видели, как другие ученые использовали маленьких роботов для перемещения твердых тел. Но никогда - для перемещения жидкостей. Поэтому шесть лет назад они начали тестировать способы поднятия капли.
Деталь, которая заставляет робота двигаться - привод - была простой. Он был разработан Чжао. Они скрутили нейлоновую нить, похожую на леску, в катушку. Когда на катушку подается напряжение, она расширяется. Таким образом, она действует как "мышца" робота.
Исследователи поместили катушку между двумя тонкими материалами. Один из них был жестким, поэтому он сопротивлялся изгибу. Другой материал представлял собой обычную клейкую ленту. Когда подавалось напряжение и катушка расширялась, гибкая лента легко сгибалась, а другой материал - нет.
"Разница в жесткости создала изгибающее движение, - говорит Чжао. Для наблюдателя это выглядит как палец, медленно сгибающийся".
Наконец, на ленту распылили суперомнифобное покрытие. Это обеспечило захвату возможность удерживать каплю жидкости, не прилипая к ней".
Поиск полезного назначения
Для создания правильного дизайна потребовались месяцы проб и ошибок. Например, команда пыталась найти что-то, к чему бы прилипал суперомнифобный материал. (В конце концов, если он отталкивает все, то он не должен прилипать ни к чему). Кота сравнил это с краской на стене: Если стена начинает прогибаться, краска отслаивается. Но он отмечает, что "когда привод деформируется, покрытие не должно отслаиваться". В конце концов, шероховатая клейкая поверхность ленты помогла сохранить покрытие.
Группа завершила разработку к 2017 году. Однако, несмотря на свою крутость, она не имела очевидного применения.
Но в 2020 году разразилась пандемия COVID-19. Внезапно это устройство для перемещения капель жидкости показалось подходящей технологией, которая поможет людям безопасно работать с токсичными или инфекционными жидкостями. "Они могли бы использовать его, чтобы поместить жидкость в пробирку [для] проведения диагностического теста", - объясняет Кота.
По словам Сяогуана Донга, скрученные и намотанные актуаторы предлагают умный и простой способ приведения в действие мягких роботов. Он работает инженером в Университете Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннесси. Новое устройство, по его словам, ловко сочетает в себе две существующие технологии.
Но он сомневается, что лаборатории инфекционных заболеваний ищут такое устройство. "На мой взгляд, это не совсем практично", - говорит он. "Количество капель, которыми можно манипулировать, очень мало. Чтобы манипулировать несколькими [каплями], нужны роботизированные пальцы с независимым приводом. Если вы хотите манипулировать сотнями капель, как вы это сделаете?".
Кота и Чжао согласны с тем, что для того, чтобы сделать их захваты действительно полезными, необходимо провести дополнительную работу. "Мы продемонстрировали только очень простое движение", - говорит Чжао. Сейчас его команда сотрудничает с микробиологами и вирусологами в разработке новых устройств, которые могли бы использовать новые захваты.
"Как мы можем манипулировать каплями в реальной ситуации?" - спрашивает Кота. Если они смогут это выяснить, говорит он, то устройство может стать недорогим способом защиты работников лаборатории.
Спасибо за прочтение!
