Роботи, натхнені восьминогами, отримали адаптивний захват
Вступ
Природа продовжує надихати на нові досягнення в галузі робототехніки та матеріалознавства. Восьминоги зі своїми надзвичайно адаптивними присосками стали поштовхом для створення нового класу м’яких роботизованих захватів, які здатні адаптуватися до складних і нерівних поверхонь. Команда з Бристольського університету під керівництвом доктора Тяньці Юе опублікувала знакову статтю в журналі PNAS (2025), в якій представлено біоміметичну систему всмоктування, що поєднує гнучкість м’яких матеріалів з вбудованим рідинним ущільненням, що підвищує ефективність адгезії до 55 разів у порівнянні з традиційними присосками.
Біологічні принципи всмоктування восьминогів
Присоски восьминогів базуються на трьох ключових елементах:
- Деформація м’яких тканин: М’язові гідростати змінюють форму краю присоски, щоб точно відповідати поверхні на відстані до мікрон.
- Модулювання тиску: Круглі та радіальні м’язи регулюють внутрішній тиск, створюючи всмоктування до -100 кПа.
- Секреція слизу: Гландулярний слиз (η≈5 × вода) заповнює мікротріщини, запобігаючи витоку та забезпечуючи зчеплення на вологих або пористих поверхнях.
Дизайн і матеріали
Замість хімічного відтворення слизу восьминога, команда Юе розробила внутрішню рідинну систему на водяній основі:
- Ядро: 3 мм товстий відкритопористий силіконовий спонж (Shore 20A) забезпечує радіальну гнучкість.
- Зовнішня подушка: 1 мм тонка силіконова мембрана (Shore 10A) адаптується до нерівностей до 50 мкм.
- Система рідинного ущільнення: мікроканали (Ø300 мкм), вбудовані по краях, подають демінералізовану воду під тиском 0.1–0.3 бар для заповнення залишкових щілин.
- Вакуумна активація: Мініатюрний діафрагмовий насос генерує -50 кПа під чашкою, а вбудовані датчики тиску (±5 Па точність) замкнуть контур.
Ці характеристики імітують як морфологічні, так і функціональні аспекти справжніх присосок, забезпечуючи in situ адаптивність без зовнішньої вакуумної інфраструктури.
Оцінка продуктивності
Команда порівняла свій роботизований захват з комерційними силіконовими присосками в трьох тестових режимах:
- Грубі сухі поверхні: Піскострумна сталь (Ra 10 мкм) витримувала навантаження 1 кг під кутом 45° понад 120 секунд, у порівнянні з менше ніж 2 с для контрольних зразків.
- Підводні середовища: Фрагменти вапняку та раковини під водою утримували вагу 500 г понад 5 хвилин без зміни тиску.
- Швидкість витоку: Виміряно менше ніж 5 Па/с втрат тиску з активованим рідинним ущільненням, у порівнянні з понад 50 Па/с для незакритих присосок.
Виробництво та масштабованість
Поточні прототипи використовують багатошарове лиття та лазерне гравіювання каналів. Для масового виробництва група досліджує:
- Роликове мікрофлюїдне патернування для вбудовування каналів у силіконові листи
- Лиття під тиском безшовних структур з двома твердостями
- Автоматизовані конвеєри, що інтегрують мініатюрні насоси та датчики тиску
Очікувана вартість одиниці продукції становитиме менше 50 доларів при обсягах понад 10 000 штук, що робить їх конкурентоспроможними на ринках промислової та споживчої робототехніки.
Застосування та сценарії використання
- Підводні дослідження: NASA нещодавно профінансувала проект під керівництвом Бристоля, щоб оснастити підводні роботи цими присосками для збору зразків крихких зірок у глибоководних каньйонах.
- Автоматизація виробництва: Адаптивні захвати обробляють деталі з різною геометрією, від вигнутого скла до литого металу, зменшуючи час на переналаштування.
- Пошук і рятування: Програма SubT DARPA оцінює м’які присоски для роботів, що пересуваються по завалам, забезпечуючи надійне проходження по гострим поверхням.
Думка експерта
«Поєднання динамічного рідинного ущільнення з гнучкістю матеріалів є справжнім проривом», – говорить професор Джейн Сміт (MIT Mechanics). «Цей підхід може змінити наші уявлення про дизайн кінцевих ефекторів для неструктурованих середовищ».
Перспективи розвитку
Поточні дослідження та розробки націлені на:
- Оптимізацію в’язкості рідини з використанням біосумісних полімерів, що імітують слиз восьминога (η≈10× вода)
- Інтеграцію розподілених механорецепторів для тактильного зворотного зв’язку та автономного регулювання ущільнення
- Мініатюризацію системи для мікророботизованих застосувань у медичній діагностиці
Висновок
Поєднуючи м’які роботизовані матеріали з вбудованим водяним ущільненням, команда Бристольського університету представила економічну та ефективну стратегію адгезії. З розвитком виробництва та вдосконаленням систем управління, присоски, натхненні восьминогами, мають всі шанси стати стандартними компонентами в робототехніці наступного покоління в промисловості, науці та дослідженнях.