Работа любого ученого сопряжена с желанием удовлетворить свое любопытство. Поиск ответов на вопросы о том, как что-то работает и как это повторить, является фундаментом фактически любого исследования. Несмотря на рационализм науки, она имеет много общего с творческой деятельностью. Будь то написание картины или лабораторные исследования, в обоих случаях есть нечто, что служит вдохновением этого процесса. Одним из самых обильных источников вдохновения как для художников, так и для ученых является природа. Ученые из Бристольского университета (Великобритания) вдохновились хваткими конечностями осьминогов и разработали роботизированную присоску, способную захватывать объекты с неровной поверхностью и большим весом. Из чего сделана присоска, как именно она работает, и где она может быть полезна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
В процессе создания роботизированных манипуляторов (т. е. рук) необходимо учитывать то, с чем данный манипулятор будет взаимодействовать. Суть в том, что разные предметы обладают разной топологией поверхности. Жесткие манипуляторы могут обладать силой, необходимой для, к примеру, поднятия тяжелого предмета. Однако эта сила ничего не стоит, если манипулятор не может захватить предмет из-за его изогнутой или шероховатой поверхности. Тут на помощь приходят мягкие роботы и присоски.
В дикой природе существует множество организмов (осьминоги, рыбы из семейства прилипаловых, пиявки, брюхоногие моллюски и иглокожие) способных поддерживать превосходное адаптивное прилипание на сложных поверхностях, используя свои мягкие структуры тела. Принято считать, что высокоадаптивное присасывание присосок осьминогов является результатом ловких движений мускулатуры и мягкого эпителия, помогающего им приспосабливаться к неравномерному субстрату.
Осьминоги стали вдохновением многих разработок адаптивных присосок, особенно в отношении их механической конструкции и механической формы поверхности. Например, подобно движению мускулатуры присоски осьминога, в некоторых исследованиях используются камеры, приводимые в действие положительным давлением, для создания конформации и антагонистической силы на субстрате. Также были исследования, в которых использовались гранулированные материалы, собранные в эластичный мешок.
Проблема в том, что все эти исследования и разработки, несмотря на их успешность, все же обладают рядом ограничений, делающих их далекими от универсальности и адаптируемости к разным типам топологии поверхности. Например, сильно изогнутые или шероховатые поверхности.
Учитывая сложность механической конструкции для создания уплотнения на сложных поверхностях, многие исследователи пробовали использовать жидкость для заполнения зазора между манипулятором и поверхностью захватываемого объекта. То есть разработанные присоски использовались либо в подводной среде, либо смачивались водой перед непосредственным использованием. Этот метод хоть и рабочий, но абсолютно непрактичный. В природе этот процесс обусловлен более сложными механизмами, чем обыкновенное смачивание присосок.
Ученые отмечают, что слизистые железы или клетки часто обнаруживаются в краях присосок осьминогов, ремор, пиявок, брюхоногих моллюсков и иглокожих. Ранее было доказано, что слизь моллюсков выполняет функции защиты, хищничества и передвижения. Тем не менее биологи считают, что слизь на присосках, которая как минимум в пять раз более вязкая, чем вода, играет важную роль в усилении всасывания.
Таким образом, превосходную адаптивную всасывающую способность биологических присосок можно объяснить органическим сочетанием механического строения и регулируемого уплотнения слизи. По этой причине ученые выдвинули следующую гипотезу: организмы ловко деформируют свое мягкое тело для более плотного контакта с поверхностью объекта; затем они используют свои механорецепторы внутри присоски, чтобы воспринять ослабление всасывания и выделять необходимое количество слизи, чтобы сформировать эффективное уплотнение с поверхностью объекта. Этот механизм присасывания работает не только под водой, но и на суше. Следовательно, именно этот механизм и должен служить вдохновением для создания мягких роботизированных манипуляторов с присосками.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые детально изучили вышеупомянутый механизм присасывания, присущий осьминогам, а также разработали инженерный аналог. Созданная искусственная присоска сочетает в себе механическую адаптируемость и регулируемое жидкостное уплотнение и успешно демонстрирует сильное всасывание и высокую адаптируемость к сильно изогнутым, шероховатым и сухим поверхностям. Механическая структура имитирует мягкое тело биологической присоски благодаря иерархической структуре, состоящей из силиконовой губки и мягкой силиконовой подушечки, что уменьшает зазор между манипулятором и объектом до менее 10 мкм. Искусственная жидкостная система (AFS от artificial fluidic system), имитирующая слизистую железу биологической присоски, предназначена для выделения воды, позволяющей образовать водяной уплотнительный слой.
Результаты исследования
Изображение №1
Описываемый многоуровневый механизм всасывания обеспечивает адаптивное всасывание с помощью четырех ключевых компонентов, вдохновленных биологическими присосками (на 1A показано сопоставление присосок осьминогов и искусственных присосок манипулятора):
- опорные ткани (крышка) соединяют присоску с щупальцем осьминога (с манипулятором) и поддерживают нижележащие структуры;
- мускулатура (силиконовая губка) позволяет присоске механически соответствовать общей форме объекта, чтобы уменьшить зазор между щупальцем (манипулятором) и поверхностью (~ мм);
- эпителий (мягкая силиконовая подушечка) механически прилегает к неровностям подложки для дальнейшего уменьшения зазора (< 10 мкм);
- клетки слизи (искусственная жидкостная система) расположены по краю присоски и секретируют вязкую гликопротеиновую жидкость (воду) для закрытия промежутков между щупальцем (манипулятором) и поверхностью объекта (< 10 мкм).
Присоска приводится в действие защелкивающейся (ST от snap-through) мышечной мембраной. Посредством механической конформации (с помощью силиконовой губки + силиконовой подушечки) и водяного уплотнителя (с помощью AFS) манипулятор повторяет механизм присасывания биологической системы, уменьшая зазор между поверхностью присоски до < 10 мкм и заполняя зазор водой. Срок службы присоски с водяным элементом в 55 раз дольше, чем у сухой присоски, из-за повышенной вязкости воды по сравнению с воздухом. Однако долговечность всасывания кубически уменьшается с увеличением размера зазора. Следовательно, чтобы сделать гидроизолятор эффективным (> 10 секунд для типичного захватывающего движения), зазор должен быть уменьшен до менее 10 мкм за счет механической конструкции, как показано на 1B. Помимо имитации биологического механизма всасывания, созданная присоска также использует аналогичный механизм захвата и высвобождения объекта (1C). Адаптивность разработанной присоски продемонстрирована на 1D.
Видео №1: демонстрация структуры созданной присоски и ее возможностей.
На 1E показана покадровая последовательность использования присоски для захвата сухого, изогнутого, грубого и тяжелого (598.4 грамм) камня. Активацию ST мембраны контролировали вручную с помощью шприца. Приведение в действие ST мембраны включает в себя инверсионно-захватывающее движение, которое создает механическую конформацию. После этого из AFS, расположенного по краю присоски, выделялся небольшой объем воды для полной гидроизоляции. Для отмены всасывания выполнялось повторной активацией ST мембраны. Наконец, шприц закачивал небольшое количество воздуха в ST мембрану, чтобы вернуть присоску в исходное состояние и подготовить ее к следующему применению.
Изображение №2
Была проведена серия экспериментов для оптимизации конструкции силиконовой губки, силиконовой прокладки и AFS для достижения механической конформации и водонепроницаемости соответственно.
Механическая конформация является совместным результатом крупномасштабной конфигурации силиконовой губки и мелкомасштабной конфигурации мягкой подушечки. Оптимизация крупномасштабной конформации показана на 2A. Конформационная способность силиконовой губки обусловлена ее пористой структурой, которая создается методом солевых шаблонов. Соотношение масс (поваренная соль и силикон) определяет его пористость и влияет на крупномасштабную конформацию. Испытание на сжатие при различных сочетаниях массового соотношения и твердости (влияющих на его механические свойства) было использовано для поиска подходящей силиконовой губки для достижения крупномасштабной конформации, соответствующей кривизне подложки.
Оптимизация мелкомасштабной конформации показана на 2B. Снимки микроскопии показывают, что более мягкая силиконовая прокладка лучше прилегает к небольшим зазорам на поверхности, поэтому для изготовления силиконовой прокладки был использован Ecoflex 00-30.
Оптимизация водного уплотнения показана на 2C. Ученые отмечают, что равномерно распределить воду по всему краю присоски, чтобы предотвратить утечку воздуха, крайне сложно. Три уникальные особенности делают возможным создание искусственного водного уплотнения:
- шесть радиально расположенных тонких каналов передают воду от центральной полой области к краю;
- гидрофобный силикон химически модифицируется до гидрофильности путем добавления гидрофильных сополимеров – поли(диметилсилоксан-b-этиленоксид) (PBP от poly(dimethylsiloxane-b-ethylene oxide));
- край силиконовой подушечки окружена пористой пеной из суперабсорбента (SA от superabsorbent) для хранения и подачи воды вокруг присоски за счет капиллярной силы.
Видео №2: сравнение смачиваемости обычного силикона и PBP-силикона для различных концентраций PBP.
Видео №3: эксперимент по саморастеканию воды на 0% PBP-силиконе, 3% PBP-силиконе и 3% PBP-силиконе с SA пеной.
Изображение №3
От крупного до мелкого масштаба сложность поверхности можно описать, используя как общую кривизну, так и шероховатость. Чтобы оценить адаптивное всасывание на сложных сухих поверхностях, ученые сначала проверили присоску на плоских и шероховатых поверхностях, чтобы установить мелкомасштабную механическую конструкцию (сжатие силиконовой подушечки) и водонепроницаемость. Затем тесты проводились на сильно изогнутых и шероховатых поверхностях, чтобы проверить крупномасштабное всасывание, включая крупномасштабную конформацию силиконовой губки.
Плоские и шероховатые образцы были приготовлены с зернистостью 60 (самая грубая), 80, 120, 180, 220, 360 и 400 (самая гладкая). Экспериментальная установка (3A) использовалась для приложения постоянной тяговой силы (2 Н) к присоске. Присоска была испытана в трех сценариях:
- сценарий №1 — полностью сухая среда;
- сценарий №2 — под водой (полностью мокрая среда);
- сценарий №3 — сухая среда с выделением воды 1 мл/мин (тем самым создавая локальную влажную среду).
Немодифицированная коммерчески доступная присоска из ПВХ (поливинилхлорида) (обозначенная SPVC) того же диаметра (30 мм), что и экспериментальная присоска (обозначенная SMultiScale), также тестировалась на той же установке в сценарии №1 и №2.
Видео №4: испытание присосок на плоских и шероховатых поверхностях.
На 3B показаны результаты испытания в сухой среде. SMultiScale может поддерживать всасывание на образцах с зернистостью не более 220 примерно до 38 секунд, в то время как SPVC не может поддерживать всасывание на поверхности любой зернистости. В сценарии, когда присоски тестировались под водой (3C), SPVC показала незначительное увеличение продолжительности всасывания по сравнению с предыдущим сценарием при зернистости 360. А SmultiScale работала еще лучше, чем в предыдущем сценарии, при очень грубой зернистости 60. В сценарии с постоянным выделением воды со скоростью 1 мл/мин (3D) продолжительность всасывания SMultiScale оказалась в промежутке показателей сценария №1 (ожидаемый нижний предел) и сценария №2 (ожидаемый верхний предел).
Затем ученые приступили к испытаниям присосок с применением объектов с сильной изогнутостью, шероховатостью и сухостью поверхности. Было использовано 3 группы гиперповерхностей: эллипсоид (обозначается буквой «E»), гиперболический параболоид (обозначается буквой «H») и параболический цилиндр (обозначается буквой «P»). Эллипсоиды выпуклы по осям x и y, гиперболические параболоиды вогнуты по оси x и выпуклы по оси y, а параболические цилиндры плоские по оси x и выпуклые по оси y. Каждый тип гиперповерхности состоит из пяти образцов с разной кривизной: от самой высокой кривизны {E1, H1, P1} до самой низкой {E5, H5, P5}.
Относительный радиус кривизны (RroC от relative radius of curvature) гиперповерхностей, определяемый как Rx=0/rs, используется для представления сложности создания всасывания, где Rx=0 — это радиус кривизны при x = 0 в плоскости xz (т. е. место контакта), rs = 15 мм — радиус присоски. Меньший RRoC указывает на то, что поверхность более изогнута и присоске сложнее создавать всасывание. Было изготовлено по два образца каждой формы: одна с гладкой поверхностью, а другая с шероховатостью 220, что, согласно предыдущим экспериментам, является сложной шероховатостью.
Сначала была измерена максимальная сила всасывания SMultiScale на гладких гиперповерхностях в двух сценариях: сухом (как в сценарии №1) и с AFS (1 мл/мин, как и в сценарии №3). Как показано на 3E, SMultiScale в обоих случаях создавала всасывание на всех образцах, кроме самых изогнутых {E1, H1, P1}. Максимальная мгновенная сила всасывания в сценарии с AFS ниже, чем в сухом сценарии (что связано с мгновенной смазкой от воды до того, как было достигнуто всасывание, что приводит к потере силы Ван-дер-Ваальса). При этом присоска показала более длительное всасывание, чем в сухом сценарии.
Затем {E2, H2, P2} и {E3, H3, P3} были выбраны для теста на продолжительность всасывания при использовании AFS (1 мл/мин) на той же установке. Как показано на 3F, SMultiScale генерирует всасывание на образцах {E2, E3, H3, P3}, при этом больший RRoC обеспечивает более длительное всасывание: 100 секунд на E2 и более 600 секунд на E3.
Далее были проведены испытания на подъем объектов с помощью манипулятора, оснащенного присоской. Во время тестов использовались объекты с сильно изогнутой и шероховатой поверхностью, гиперповерхности, полусферы (шероховатость 220) и полуцилиндры (шероховатость 220). Каждый образец тестировался трижды, и в каждом тесте манипулятор захватывал объект присоской, держал его, а затем встряхивал в течение 20 секунд. Как показано на 3G, все образцы, кроме P2, выдержали испытание.
Видео №5: испытание на продолжительность всасывания и захват объектов с изогнутой и шероховатой поверхностью.
Ученые отмечают, чтобы увеличить продолжительность всасывания и свести к минимуму перелив воды, скорость выделения воды должна равняться скорости всасывания. Следовательно, AFS должен подавать больше воды на шероховатые субстраты и меньше воды на гладкие. Постоянная скорость секреции воды может привести к неоптимальной продолжительности всасывания (если скорость слишком низкая) или к избыточным потерям воды (если скорость слишком высокая).
Изображение №4
Ученые использовали модель расчета утечки воды при всасывании присоски:
V̇ = Lyu3c(patm − pin)/(12ηLx)
где η — вязкость жидкости, ̇V̇ — скорость утечки, Ly и Lx — длина и ширина области контакта, uc — размер зазора, (patm − pin) — перепад давления между атмосферой и областью всасывания. Ly, Lx, uc и (patm − pin) — неизвестные параметры. На основании геометрической и физической модели все они коррелируют с h, который представляет собой высоту центра нижней части присоски, поднятой над подложкой. Следовательно, записывая h во время экспериментов по продолжительности всасывания плоских и шероховатых образцов (4A) можно определить скорость утечки.
Приближенное значение uc можно получить, как показано на 4B, что согласуется с предыдущей оценкой, согласно которой зазор утечки уменьшается ниже 10 мкм. Результаты показывают, что предлагаемая присоска может создавать давление всасывания до -61.4 кПа (в сухом состоянии) и -56.1 кПа (во влажном состоянии).
Оптимальная скорость секреции воды регулируется с помощью стратегии управления с разомкнутым контуром (4C и 4D). Первоначально объем утечки V(t0) и h(t0) принимаются равными нулю, а тянущая сила F(t0) определяется датчиком нагрузки. Объем утекшей воды в следующем интервале отбора проб (0.1 с в этом исследовании), ΔV(ti), может быть получен с помощью модели утечки L(V(ti), h(ti), F(ti)). Компьютер управляет шприцевым насосом для выделения воды объемом ΔV(ti) для компенсации утечки, затем h(ti+1) можно получить с помощью геометрической модели G(Vi+1)). Весь итерационный цикл можно записать следующим образом:
ΔV(ti) = L(V(ti), h(ti), F(ti))
V(ti+1) = V(ti) + ΔV(ti)
h(ti+1) = G(Vi+1))
Данная стратегия позволила манипулятору с присоской поднять и в течение 20 секунд трясти гирю с шероховатостью поверхностности 180 и массой 500 грамм. Как показано на 4E и видео №6, скорость выделения воды меняется со временем, а граница воды (белая отражающая кривая, зафиксированная камерой) практически стабильна без отчетливого движения от 12.2 с до 21.9 с. Это указывает на то, что скорость утечки и секреции воды примерно сбалансирована.
Видео №6: эксперименты по регуляции секреции воды.
На заключительном этапе практических испытаний ученые протестировали силу разработанной ими присоски на случайных предметах с разнообразной шероховатостью поверхности, изогнутостью поверхности, массой и габаритами.
Видео №7: эксперименты по захвату различных предметов.
Поскольку топография поверхности предметов неизвестна и весьма неравномерна, на основании предварительных испытаний было принято использовать постоянную скорость подачи воды 4 мкл/с, которая обеспечивала успешный последовательный захват. Нестандартные положения, показанные на 4F (i и ii), доказывают, что тестируемая присоска обеспечивала довольно сильное и стабильное присасывание к двум сильно изогнутым и шероховатым объектам. Некоторые опыты требовали, чтобы присоска сохраняла присасывание в течение длительного времени (например, 4F (v–viii)), что дополнительно демонстрирует отличную продолжительность захвата на сложных поверхностях.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые, вдохновленные щупальцами осьминогов, создали новый тип присосок, способных поднимать и удерживать предметы, обладающие различной шероховатостью и изогнутостью поверхности, разной массой и габаритами.
Ученые предположили, что адаптируемость присосок у осьминогов является результатом совместной работы подвижности их мягких тканей и нейрорегулируемого выделения слизи в области присосок. Взяв данную гипотезу за основу, ученые приступили к созданию инженерного эквивалента присосок осьминогов.
Разработанная искусственная присоска использует многослойную мягкую структуру (силикон) для придания присоске формы, соответствующей изгибам захватываемого объекта. Искусственная жидкостная система (AFS от artificial fluidic system) затем создает эффективный водный изолятор, буквально склеивающий присоску с поверхностью объекта.
В ходе экспериментов и моделирования ученые успешно разработали стратегию регулируемого выделения воды AFS системой. В результате объем выделяемой воды был сбалансирован с объемом воды, которая расходуется во время работы присоски.
Оснастив роботизированный манипулятор разработанной присоской, ученые провели тесты на захват самых разных предметов: от полукилограммовых камней до игрушечных пластиковых животных.
Как отмечают ученые, их творение может сыграть важную роль в разработке универсальной мягкой адгезии, которая будет производительной, недорогой и энергоэффективной альтернативой современным методам захвата. В будущем ученые намерены усовершенствовать свою разработку, создав умную присоску путем оснащения ее датчиками, регулирующими ее поведение при работе с различными объектами.
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?
