Живые организмы, обитающие на планете Земля обладают своими уникальными особенностями, сформировавшимися в ходе длительной эволюции. Некоторые особенности перекликаются между разными видами, но обладают разной степенью выраженности. К примеру, регенерация тканей присуща многим животным, в том числе и людям, но мы, к сожалению, не может отращивать потерянные конечности, как это делают морские звезды, например. Однако, кто еще хуже в этом умении так это роботы. Любые повреждения на теле робота, даже сделанного с использованием всех наработок мягкой робототехники, требуют внешнего вмешательства и ремонта. Группа студентов из Университета Небраски в Линкольне (США) разработали новый тип роботизированных мышц, которые способны фиксировать повреждения на своей поверхности и регенерировать их. Из чего сделаны эти мышцы, как именно происходит регенерация, и насколько она эффективна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе исследователей.

Основа исследования

Мягкие материалы с возможностями восприятия, актуации и самовосстановления открывают новое поколение многофункциональных технологий для приложений, начиная от мягкой робототехники до носимых устройств. Эти материалы обладают высокой деформируемостью, механической прочностью и естественной устойчивостью к повреждениям и могут выдерживать сжимающие силы, удары и изгибы, которые обычно повреждают жесткие аналоги. Однако, поскольку технологии мягких материалов переходят из контролируемых лабораторий в реальную среду, они должны быть способны выдерживать те же условия, с которыми сталкиваются человеческая кожа и другие мягкие биологические материалы. Чтобы достичь этого, эти материалы должны обладать способностью обнаруживать и реагировать на внешние раздражители, передавать информацию о повреждениях и включать механизмы самовосстановления, имитируя замечательную адаптивную устойчивость живых организмов. Включение этих биомиметических функций имеет важное значение для обеспечения долговечности мягких роботизированных и носимых систем, поскольку они взаимодействуют с непредсказуемыми реальными средами.

Нервная ткань человека служит образцовой моделью мягкого, отзывчивого материала, способного обнаруживать, сообщать и восстанавливаться после травм благодаря своей присущей пластичности. Эта характеристика особенно актуальна для мягкой робототехники, разработанной для сельскохозяйственных применений, которая часто подвергается воздействию острых предметов, таких как ветки, шипы, пластик или стекло, которые могут повредить эти системы. Для устранения этой уязвимости многочисленные исследования изучали самовосстанавливающиеся полимерные и эластомерные материалы для приложений мягкой робототехники, которые используют различные механизмы для достижения самовосстановления. Эти достижения привели к разработке мягких систем с возможностями самовосстановления в датчиках, электропроводке и приводах. Перспективная стратегия автономного самовосстановления основана на интеграции нагревательных элементов Джоуля с самовосстанавливающимися полимерами. Такой подход устраняет необходимость ручного вмешательства или внешних стимулов, представляя собой значительный шаг к надежным, автономным мягким роботизированным системам. Несмотря на эти многообещающие разработки, комплексная интеграция обнаружения повреждений, связи и восстановления в мягких роботизированных технологиях остается серьезной проблемой.


Изображение №1

В рассматриваемом нами сегодня труде исследователи описывают новую архитектуру мягкого материала для активного обнаружения материального повреждения и автономного ремонта посредством повторной обработки на месте и реконфигурации как структуры материала, так и его электрической сети (схема выше). Эта архитектура включает мягкую электронную оболочку, состоящую из микрокапель LM (жидкий металл), встроенных в силиконовый эластомер, что позволяет обнаруживать и локализовать повреждение путем мониторинга образования проводящих путей, возникающих в результате экстремального давления (> 1 МПа) или проколов. Недавно созданные проводящие сети служат в качестве нагревательных элементов Джоуля для облегчения повторной обработки и заживления физически сшитых полимерных слоев. После процесса самовосстановления эти электрические сети могут быть реконфигурированы с использованием электромиграции и термических механизмов для создания физических разрывов. Эта интеграция на уровне системы обеспечивает обнаружение и локализацию электрических повреждений, возможности самовосстановления для экстремальных случаев повреждения и реконфигурацию вновь сформированных электрических сетей — все это без необходимости ручного вмешательства или внешних механизмов. Такой подход не только повышает устойчивость и функциональность мягких материалов, но и открывает путь для передовых приложений в области мягкой робототехники и носимых технологий, где адаптивные и автономные системы необходимы для непрерывной работы в динамичных и неструктурированных средах.

Результаты исследования

Мягкая электронная кожа использует архитектуру композитного материала LM-эластомера. Этот материал был создан путем смешивания LM на основе Ga (75% галлия, 25% индия) с неотвержденным силиконовым эластомером в объемном соотношении 1:1, образуя суспензию LM микрокапель (частицы размером ∼100 мкм). Сначала на стеклянную подложку наносится слой силиконового эластомера и отверждается. Затем наносится маска, и слой LM-композита отливается и отверждается. Затем поверх LM-композита отливается последний слой эластомера и затем отверждается. Все слои имеют толщину 0.5 мм, наносятся с помощью тонкопленочного аппликатора и отверждаются при температуре 100 ◦C в течение 1 часа. Предыдущие исследования продемонстрировали универсальность композитов LM-эластомеров с точки зрения свойств материала. Эти композиты могут быть спроектированы так, чтобы демонстрировать экстремальную прочность, исключительные электрические и термические характеристики и способность образовывать электропроводящие пути.

После синтеза композит LM является электроизолирующим. Приложение экстремального давления (> 1 МПа) или проколы вызывают образование проводящих каналов, которые являются внутренними по отношению к композиту и могут функционировать как каналы для передачи энергии или сигнала. Оставшийся материал, окружающий эти каналы, остается нетронутым и позволяет формировать несколько электроизолирующих каналов в пределах одного композита. Чтобы обеспечить единообразие результатов по образцам, проводящие каналы создавались с помощью X-Y плоттера, оснащенного колесом для надреза, чтобы выборочно применять давление к предопределенным областям. Ширина канала контролировалась путем регулировки количества смежных путей линий, а глубина канала контролировалась путем регулировки толщины композита LM-эластомер.


Изображение №2

Электрические сети, созданные в композитах LM-эластомер, обычно считаются постоянными, особенно в обычных термореактивных материалах с ковалентными сетями. Физически сшитые полимеры, такие как термопластичные эластомеры, могут быть переработаны с помощью ручного вмешательства с использованием растворителей или нагрева для реконфигурации полимерных и электрических сетей. В этом исследовании было показано, что электрические сети, созданные в термореактивных эластомерах, могут быть реконфигурированы с использованием контролируемых электрических процессов без изменения сети эластомера (2A). Физические разрывы в электрических сетях создаются при высоких плотностях тока, где наблюдаются механизмы электромиграции и термического отказа.

Для систематического исследования влияния площади поперечного сечения канала на механизмы электромиграции и термического отказа исследователи варьировали ширину и толщину токопроводящих каналов. Ширина канала контролировалась путем создания нескольких смежных путей линий, в то время как глубина канала регулировалась путем изменения толщины композита LM-эластомер. LM электроды были нанесены на конец каждого канала и подключены к программируемому источнику питания постоянного тока. Нарастающий ток подавался с шагом 0.25 ампер каждые 30 секунд до тех пор, пока электрический канал не был переконфигурирован и электропроводность не была потеряна из-за отказа разомкнутой цепи. Примечательно, что визуальный вид канала изменился с темно-серого на более светлый, мутно-серый после отказа без наблюдаемых изменений шероховатости поверхности. Как показано на 2B и 2D, сопротивление канала постепенно увеличивалось до тех пор, пока не произошло значительное изменение, что привело к потере электропроводности. Было обнаружено, что ток, необходимый для реконфигурации цепи, увеличивается по мере увеличения толщины композита с 250 мкм до 750 мкм (2C) и по мере увеличения ширины канала с одного до пяти соседних каналов (2E). Наиболее существенное изменение тока, в диапазоне от 1.5 до 3.5 ампер, коррелирует с увеличением ширины канала с одного до пяти каналов. Эта способность подгонять шаблонную область канала предоставляет новые возможности для управления конкретным местом, где происходит реконфигурация цепи в композитах LM-эластомер.

Локальное повреждение между двумя соседними проводящими каналами можно обнаружить, контролируя их импеданс. Когда повреждение происходит в области, которая перекрывает оба канала, вокруг поврежденной области образуются новые электрические пути, тем самым снижая их импеданс и электрически соединяя два канала. Затем этот вновь сформированный электрический путь может быть реконфигурирован с помощью механизмов электромиграции и термического отказа. Электромиграция и термический отказ происходят в области с самым высоким импедансом. Если известен ожидаемый размер повреждения, шаблонные каналы можно спроектировать достаточно большими, чтобы обеспечить реконфигурацию цепи в поврежденной области.

Чтобы продемонстрировать, что повреждение может быть обнаружено электрически и впоследствии реконфигурировано, были созданы два контрольных канала шириной 2 мм (каждый из которых состоял из пяти смежных линий на канал) с межцентровым расстоянием 17 мм. Электроды были нанесены на один конец каждого канала, чтобы служить электрическим интерфейсом, и были подключены к программируемому источнику питания постоянного тока. Затем между двумя контрольными каналами применялись различные типы повреждений, такие как давление и разрез, чтобы сформировать проводящий путь между каналами. Этот путь обнаруживался путем подачи небольшого напряжения (1 вольт) и измерения тока для определения того, была ли электрическая цепь замкнутой. После установления непрерывности подавался нарастающий ток с шагом 0.25 ампер каждые 10 секунд в режиме постоянного тока до тех пор, пока не происходили электромиграция и тепловой отказ, что электрически реконфигурировало цепь и вызывало отказ разомкнутой цепи в поврежденной области. Этот процесс повторялся до тех пор, пока не было завершено в общей сложности шесть циклов повреждения и реконфигурации для каждого типа повреждения на образец. Такой системный подход позволил провести надежную оценку характеристик электронной оболочки при различных сценариях повреждения и циклах реконфигурации.


Изображение №3

Существенное повреждение давлением было нанесено образцу с помощью насадки на X-Y плоттере, в результате чего образовался один канал, электрически соединяющий два соседних канала мониторинга, каждый из которых состоит из пяти каналов (канал 1 на 3A). После установления непрерывности был применен ток, пока не произошел отказ разомкнутой цепи, во время которого измерялись сопротивление и температура образца. Как показано на 3B, сопротивление канала постепенно увеличивалось до достижения порогового значения, что привело к потере электропроводности и одновременной реконфигурации электрической сети. Местоположение электромиграции и термического отказа подтверждается с помощью тепловизионной камеры, при этом кадры, показанные на 3A, были сняты непосредственно перед возникновением отказа. Самая горячая область напрямую соответствует поврежденной области и месту электромиграции и термического отказа. До электромиграции и термического отказа материал испытывает повышенные температуры, превышающие 200 ◦C в месте повреждения (3C). Силиконовые эластомеры демонстрируют исключительную термическую стабильность при повышенных температурах, оставаясь стабильными до 300 ºC в вакууме.


Изображение №4

Повреждение от прокола наносилось образцу с помощью прецизионного ножа, который прорезал оба контрольных канала (4A). После установления непрерывности применялся ток, пока не произошел обрыв цепи, во время которого измерялись сопротивление и температура образца. Как показано на 4B, сопротивление канала постепенно увеличивалось до достижения порогового значения, что приводило к потере электропроводности и одновременной перестройке электрической сети. Площадь повреждения, представленная одним надрезом, меньше и включает в себя другой механизм формирования сети по сравнению с контрольными каналами, которые состоят из пяти каналов, сформированных путем приложения давления. Местоположение электромиграции и термического отказа было подтверждено с помощью тепловизионной камеры, с кадрами, показанными на 4A, снятыми непосредственно перед возникновением отказа. До электромиграции и термического отказа материал испытывал повышенные температуры, превышающие 100 ºC в месте повреждения (4C). Повреждение от прокола является распространенной проблемой в мягкой робототехнике, особенно когда эти мягкие системы сталкиваются с острыми предметами или шероховатыми поверхностями во время работы. Устранение этой уязвимости посредством эффективных механизмов обнаружения и самовосстановления имеет решающее значение для обеспечения надежности и долговечности мягких роботизированных систем, поскольку давление или утечка жидкости в результате прокола могут привести к снижению производительности и неожиданным отказам.


Изображение №5

Для тестирования разработки была создана самовосстанавливающаяся искусственная мышца со встроенными датчиками, чтобы система могла непрерывно отслеживать повреждения, такие как проколы, в режиме реального времени (изображение №5). При обнаружении повреждения привод может инициировать автономный процесс восстановления посредством повторной обработки на месте, где джоулев нагрев используется для запуска слоя самовосстанавливающегося материала. После самовосстановления поврежденная область реконфигурируется, восстанавливая функциональность без необходимости ручного вмешательства или внешних механизмов восстановления. Интеграция этих функций не только повышает устойчивость мягкого роботизированного привода, но и имитирует адаптивные возможности, обнаруженные в биологических системах, что в конечном итоге приводит к более надежной и эффективной работе в динамических средах.

Был разработан мягкий роботизированный привод, состоящий из слоя силиконового эластомера с рядом воздушных камер, который был связан с более жестким слоем нерастяжимого термопластичного эластомера (TPE) (изображение №1). Мягкая электронная оболочка, состоящая из композита LM-эластомер, затем была приклеена к слою TPE. Когда верхний слой силикона надували водой, разница в деформации между растяжимым верхним слоем и нерастяжимым нижним слоями заставляла привод изгибаться. Мягкая электронная оболочка содержала четыре параллельных канала, которые использовались для обнаружения места повреждения путем контроля импеданса между каждой из них (5A). Если была обнаружена непрерывность, вновь сформированная электрическая сеть имела высокое сопротивление относительно четырех контрольных каналов, что позволяло вновь сформированной электрической сети функционировать как локальный джоулев нагреватель. Джоулев нагревательный элемент можно использовать для локального нагрева проколотой области в течение нескольких минут, чтобы расплавить слой TPE и самостоятельно залечить прокол, что позволяет приводу продолжать работать, как и прежде. После самовосстановления цепь может быть переконфигурирована путем увеличения приложенного тока до тех пор, пока не произойдет электромиграция и тепловой отказ, что приведет к отказу разомкнутой цепи. Это сбрасывает сеть обнаружения повреждений, позволяя обнаружить новое событие повреждения, самовосстановиться и переконфигурироваться. Как отмечалось ранее, силиконовые эластомеры обладают исключительной термической стабильностью и не разрушаются при повышенных температурах, необходимых для восстановления или переконфигурации.

Самовосстанавливающийся мягкий роботизированный актуатор был накачан подкрашенной водой и проколот с помощью точного ножа под давлением (5B, 5C). Это событие прокола повредило как слой обнаружения повреждений, так и самовосстанавливающийся слой TPE, в результате чего красная жидкость вытекла из актуатора и электрически соединила каналы 2, 3 и 4 (5D). После сброса давления в актуаторе между каналами 2 и 3 был подан ток силой 0.5 ампер для локального повышения температуры, расплавления самовосстанавливающегося слоя TPE и герметизации прокола (5E, 5F). Как показано на тепловых изображениях, температура поверхности композита LM-эластомер достигла более 210 ºC. Примерно через 2 минуты ток увеличивался до тех пор, пока не произошла электромиграция и тепловой отказ, что изменило конфигурацию электрической сети. Затем привод снова был нагнетен, и вода не вытекла из места прокола, что указывает на то, что привод был успешно залатан без ручного вмешательства или внешних механизмов восстановления. Для полного сброса слоя обнаружения повреждений ко второй цепи (между каналами 3 и 4) был применен ток нарастания до тех пор, пока не произошла электромиграция и тепловой отказ, что эффективно перенастроило слой обнаружения повреждений в исходное состояние. После циклов восстановления и реконфигурации не было никаких видимых изменений на поверхности привода.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые представили самовосстанавливающуюся искусственную мышцу, способную обнаруживать материальные повреждения и обеспечивать самовосстановление автономно, без необходимости ручного вмешательства или внешних механизмов восстановления.

События повреждения, такие как экстремальное давление или проколы, обнаруживаются и локализуются путем мониторинга образования новых электрических сетей между существующими каналами. Эти вновь образованные электрические сети, созданные событиями повреждения, позволяют локализованному джоулевому нагреву активировать слой самовосстанавливающегося материала. Джоулев нагревательный элемент используется для локального нагрева проколотой области, расплавления самовосстанавливающегося слоя TPE и герметизации поврежденной области.

Продолжая увеличивать приложенный ток, вновь образованную электрическую сеть можно перенастроить с помощью контролируемых электрических и тепловых механизмов для создания физических разрывов и восстановления функциональности слоя обнаружения повреждений.

Эта системная интеграция активного обнаружения повреждений и автономного самовосстановления может быть включена в широкий спектр мягких, гибких или жестких материалов без увеличения механической жесткости. В результате эта технология может поддерживать различные новые приложения, от био-вдохновленной мягкой робототехники до носимых устройств. Это особенно актуально для мягкой робототехники, предназначенной для сельскохозяйственных применений, которая часто подвергается воздействию острых предметов, таких как ветки, шипы, пластик или стекло, которые могут повредить эти системы.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?