Электрическая паутина справилась с задачами настоящей

Инженеры изготовили паутину, которая воспроизводит функции ловчей сети паука при помощи электростатических эффектов. В ходе испытаний она смогла самостоятельно очиститься от пыли, обнаружить приближение целей, захватить их и отпустить. По словам авторов, в будущем подобные технологии могут найти применение в мягкой робототехнике. Работа опубликована в Science Robotics.

Мягкая робототехника основана на использовании мягких (то есть легко деформируемых) материалов — эта особенность обеспечивает роботам гибкость, облегчает их адаптацию к разным задачам (от моделирования водных существ до проведения хирургических операций) и повышает безопасность взаимодействия с людьми.

Однако чтобы устройства из мягких материалов могли эффективно справляться со своей работой, необходимо создавать единые роботизированные системы из множества отдельных компонентов, функции которых дополняют друг друга — это требование может приводить к техническим трудностям. В таких ситуациях ученые часто заимствуют идеи из окружающей среды (например, наблюдая за движением живых организмов) — это позволяет исследователям не разрабатывать роботизированную систему целиком, а строить ее по аналогии с природной, копируя и воспроизводя необходимые функции.

Ученые из Южной Кореи под руководством Янгхун Ли (Younghoon Lee) и Вон Цзюнь Сун (Won Jun Song) из Сеульского Университета изготовили и протестировали искусственную паутину — устройство, которое работает по аналогии с ловчей сетью паука. Для этого авторы использовали нити из органогеля в силиконовой оболочке — гель содержал свободные ионы лития (Li+) и хлора (Cl-) — то есть обладал ионной проводимостью, а силиконовое покрытие поддерживало его форму и предотвращало загрязнение. Воссоздавая структуру паутины (и вместе с этим ее механические свойства), исследователи закрепили спираль из пары параллельных нитей на нейлоновом каркасе с помощью цианоакрилатного клея.

Фотография и схематическое изображение искусственной паутины. Масштабный отрезок слева соответствует трем сантиметрам

Younghoon Lee et al. / Science Robotics, 2020

Поделиться

Чтобы воспроизвести функции естественной паутины, инженеры прикладывали к нитям электрическое напряжение — ионы в органогеле перемещались, и у поверхностей двух нитей скапливались нескомпенсированные заряды противоположных знаков. С одной стороны, это приводило к притяжению нитей друг к другу, а с другой стороны — к возникновению внешнего электрического поля.

Распределение заряда в нитях паутины: A — в отсутствие напряжения, B и C — при подаче напряжения. Справа также изображены линии электрической напряженности

Younghoon Lee et al. / Science Robotics, 2020

Поделиться

Регулируя подаваемое напряжение, авторы управляли величиной внешнего поля, и вместе с этим — силой электростатического притяжения внешних предметов (целей) к искусственной паутине, которая возникала при перераспределении зарядов в предмете под влиянием поля нитей. Прикладывая к паутине переменное напряжение и подбирая его частоту, ученые добивались вибрации пары нитей (под действием периодически возникающей и исчезающей силы притяжения) и таким образом очищали устройство от нежелательного загрязнения — частичек пыли, которые в реальных условиях могут прилипать к паутине и, компенсируя избыточный заряд, ослаблять ее воздействие на целевые объекты.

Кроме того, исследователи протестировали систему обнаружения целевого предмета до непосредственного контакта с паутиной — для этого они использовали цели с искусственно нанесенным зарядом: при приближении к паутине такие предметы индуцировали напряжение в первоначально неактивном устройстве. Приборы измеряли это напряжение, и если оно превосходило пороговое значение в 0,1 вольт — активировали источник питания — паутина реагировала на приближение цели и захватывала ее.

В результате испытаний исследователям удалось захватить при помощи паутины предметы в диапазоне масс от 0,4 до 11 граммов, достигая притягивающего давления порядка одного килопаскаля. Очистка (длительностью в 60 секунд) искусственно покрытых пылью нитей при помощи вибрации позволила восстановить до 98,7 процента от первоначальной (до покрытия пылью) силы электростатического сцепления, а установка порогового напряжения для регистрации приближающихся целей — поддерживать (за счет избежания дополнительного загрязнения) силу электростатического сцепления в 32,5 раза выше, чем при непрерывной работе устройства.

Авторы отмечают, что предложенный экспериментальный подход можно применять не только для создания искусственных паутин, но и для других приборов — зажимных устройств, актуаторов и сенсоров.

Ранее мы писали о том, как ученые объяснили постоянство натяжения паучьей сети влиянием капель клейкой жидкости и получили искусственную паутину, которая не уступает в прочности настоящей.

Николай Мартыненко

https://nplus1.ru/