Naukowcy z Uniwersytetu w Aarhus wydrukowali w 3D małą robotyczną żabę, która pływa po powierzchni wody bez silnika, baterii i przewodów. Napędza ją sześć sztucznych mięśni uruchamianych światłem lampy, a największą wartością projektu jest metodyczne podejście do ich projektowania.
Jak pływa żaba bez silnika
Robota stworzyła doktorantka Cecilie Ryberg z Wydziału Chemii uniwersytetu w Aarhus. Nie jest on rekordzistą szybkości: w laboratoryjnych testach pokonał 8 centymetrów w niemal dwie minuty. Ciekawy jest sposób, w jaki się porusza. Sześć sztucznych mięśni porusza nogami żaby w skoordynowany sposób i odpycha wodę do tyłu.
Mięśnie wykonano z elastomerów ciekłokrystalicznych. To materiały, które kurczą się pod wpływem ciepła, a po ostygnięciu wracają do pierwotnego kształtu. Badacze dodali do nich cząsteczkę pochłaniającą światło bliskiej podczerwieni i zamieniającą je w ciepło. Dzięki temu mięśnie można aktywować zwykłą lampą.
Koordynacja okazała się głównym wyzwaniem. Jak wyjaśnia prof. Brigitte Städler, kierująca badaniami: „Jeśli mięśnie nie kurczą się w skoordynowany sposób, żaba nie popłynie do przodu, tylko po prostu zacznie się kręcić w kółko”.
Druk jak dekorowanie tortu
Miękkie roboty poruszające się bez przewodów już wcześniej powstawały. Nowością w pracy z Aarhus jest systematyczne sprawdzenie, jak zmiany w składzie chemicznym elastomerów wpływają na ich przydatność do druku 3D, na reakcję na ciepło i w końcu na ruch całego robota.
Materiał nie jest topionym plastikowym filamentem, jak w typowej drukarce. Przypomina raczej gęsty syrop lub lukier wyciskany z rękawa cukierniczego. Drukarka układa go dokładnie tam, gdzie jest potrzebny. Taka konsystencja jest niezbędna, więc samo to, że materiał się kurczy, nie wystarcza.
Ryberg zbadała więc, jak różne składniki molekularne i długości łańcuchów wpływają zarówno na właściwości drukarskie tuszu, jak i na ruchy gotowych mięśni. Wyniki mają ułatwić innym zespołom wybór materiałów i ograniczyć metodę prób i błędów.
Wieloryb, żaba i miękki silikon
Na potwierdzenie metody powstały dwa pływające roboty. Jeden przypomina wieloryba, a jego ogon porusza się falowo dzięki jednemu mięśniowi. Drugi to opisana żaba z sześcioma mięśniami. Korpusy obu robotów wykonano z miękkiego silikonu, drukowanego razem z mięśniami. Badacze opracowali też chemiczną metodę trwałego łączenia obu materiałów, bo nawet najlepszy sztuczny mięsień nie jest przydatny, jeśli jego ruch nie przenosi się na resztę ciała.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Advanced Materials Technologies”.
Co to oznacza w praktyce
Autorzy widzą w takich robotach potencjał w monitoringu środowiska i akcjach poszukiwawczo-ratowniczych, czyli tam, gdzie sztywne maszyny mają kłopot z dotarciem. Na razie jednak do działania potrzebne jest zewnętrzne źródło światła, a robot nie potrafi samodzielnie omijać przeszkód.
Dla polskiego czytelnika to przede wszystkim ciekawostka z pogranicza chemii materiałowej i robotyki, a nie gotowa technologia. Podobne badania nad miękką robotyką prowadzi wiele ośrodków w Europie, w tym w ramach unijnych programów badawczych, ale w tym przypadku nic nie wskazuje na rychłe wdrożenia. Wartość pracy leży w tym, że ułatwia ona innym naukowcom projektowanie własnych mięśni do druku 3D.
Same autorki i autorzy są ostrożni. Ryberg przyznaje, że łatwiej jej sobie wyobrazić takie roboty jako zabawki niż w misjach ratunkowych: „Sądzę, że ludzie świetnie bawiliby się, puszczając taką żabę z pomocą odpowiedniego źródła światła”.
Źródło: Tech Xplore – „3D-printed robotic frog swims using six artificial muscles powered by light”
