27.09.2024
Полимеры расширяют возможности робототехники
Роботы, способные исполнить любую прихоть человека, пока, к большому сожалению, встречаются лишь в произведениях научной фантастики. Тем не менее данное направление продолжает притягивать к себе интерес научно-исследовательских институтов, производственных компаний, лабораторий и стартапов. В этой области появляется все больше работ, при этом полимерам уделяется пристальное внимание, поскольку именно без них зачастую невозможно обойтись, когда приходит время превратить мечты в реальность.
«Стальной союз» роботов и полимеров
Разумные роботы являются частыми героями научно-фантастических фильмов прошлого века, в некоторых из которых действие происходит как бы в наше время. У них (из-за нехватки воображения у создателей кинокартин) обычно есть две руки и голова. Одни из них настроены доброжелательно, другие — не очень. Эти роботы общаются с людьми при помощи синтезированной речи, что на момент зарождения таких фантазий было новомодной концепцией. Она вполне актуальна и сейчас, что подтверждается немеркнущей популярностью у фанатов знаменитого на весь мир C3PO из саги «Звездные войны». Однако как же обстоят дела на данный момент? К немалому сожалению широкой публики, в реальности ситуация выглядит совсем иначе. Как и в случае со смартфонами, появление которых было предсказано лишь считанными единицами, развитие роботов пошло совсем другим путем, не так, как многие ожидали 30 лет назад. Еще в конце двадцатого века ученые отказались от мысли полностью копировать анатомию человеческого тела, а вместо этого сосредоточились на создании роботов, предназначенных для выполнения таких заданий, с которыми людям справиться не под силу. Самым известным примером реализации подобного подхода стала роботизированная рука, которая уже много лет используется с большим успехом, особенно в промышленности. Она способна выполнять прецизионные сварочные работы, переносить и укладывать с большой осторожностью хрупкие изделия, собирать самые разные узлы и даже проводить хирургические операции. Кроме того, роботы пришли в домашнее хозяйство и теперь убирают пыль, подстригают лужайки, чистят плавательные бассейны и делают многое другое.
Роботы приходят на помощь
Нельзя не упомянуть эпидемию COVID-19 и связанный с ним карантин, объявлявшийся во многих странах. Роботы, оборудованные подключенными к сети цифровыми планшетами, дали возможность пожилым людям, запертым в домах престарелых, поддерживать отношения со своими родственниками. В это самое время другие роботы занимались дезинфекцией полок в супермаркетах.
Некоторые службы доставки смогли продолжить свою работу в значительной степени благодаря тому, что у них были роботы, способные снимать товары со стеллажей, оберегая работников складов от потенциальных контактов с вредоносными вирусами. Такие системы оказались весьма эффективными не только потому, что были «умными», но также за счет того, что создавались с использованием полимерных материалов, совмещающих прочность и главное легкость, без чего невозможно повысить автономность подобных устройств.
Есть одна особенность, присущая практически всем выпускаемым роботам. В процессе их разработки производители опираются на широкую номенклатуру пластмасс: от особо прочных поликарбонатов и АБС, отлично подходящих для изготовления корпусов, до эластомеров, отличающихся высокой эластичностью и упругостью.
При этом роль полимеров в роботостроении не сводится только лишь к изготовлению конструктивных и защитных элементов. Во многих исследовательских центрах уже давно пришли к пониманию того, что разработка новых видов пластика поможет создать роботов с принципиально новым функционалом. Некоторые подобные проекты пока еще находятся на стадии экспериментов, в то время как другие уже выведены на рынок, при этом были получены результаты, достойные лучших произведений жанра научной фантастики.
Невидимые пластики
Огромное количество исследований в области робототехники посвящено разработке дронов. На эти цели сейчас выделяются огромные средства — настолько выросло значение подобных устройств для армий разных стран и разведслужб. При проектировании новых конструкций большую роль, как и в случае с пилотируемой авиацией, играет использование композиций на основе углерода или эпоксидных смол. Выбор в пользу этих легких материалов позволяет снизить энергопотребление дрона, одновременно повысив его автономность. Тем не менее такой подход сложно назвать революционным. Он уже отлично освоен и находит все более широкое применение не только в авиастроении, но и при создании любых современных транспортных средств.
Одной из сложнейших задач, поставленных сейчас перед конструкторами, является изготовление таких дронов, которых нельзя было бы увидеть или как минимум засечь с помощью радара. Несмотря на то, что разработка таких самолетов началась еще в 1970-х годах, их «невидимость» до сих пор остается довольно относительной. Она основывается исключительно на придании устройству специфической формы, которая позволяет отражать посылаемые радаром импульсы во всех направлениях. Такой подход работает, но только до определенной степени, поскольку часть сигнала неизбежно будет отправлена в сторону радара. Гибкие материалы, способные поглощать волны, уже существуют, но они не обладают уровнем жесткости, достаточным для того, чтобы из них можно было бы изготавливать самолеты или дроны.
Сообщается, что некой российской авиастроительной фирме недавно удалось справиться с данной проблемой за счет разработки нового материала из нескольких видов волокон и полимеров, но его состав засекречен. Достоверно известно только то, что жесткость этого композита, поглощающего практически все волны, позволяет использовать его для строительства дронов. Для того чтобы сделать обнаружение беспилотника еще более трудным, конструкторы придали ему форму и размеры совы. Во время полета его без использования бинокля практически невозможно отличить от настоящей птицы. Этот летающий шпион оснащается различными камерами. Производитель заявляет о том, что невозможность засечь машину при помощи радаров, а также ее сходство с обычной совой позволяют ей летать на очень низкой высоте, не опасаясь обнаружения и делая при этом очень качественные снимки.
Таким же путем пошел и франко-британский консорциум, специализирующийся на проектировании подводных дронов. И вновь создатели не раскрывают практически никакой информации о видах используемых волокон и полимеров. Задача их нового робота заключается в том, чтобы обнаруживать подводные лодки, оставаясь в свою очередь незамеченным. Композиционные материалы, разработанные в рамках данного проекта, с одной стороны снижают вес дрона, увеличивая тем самым его автономность, но что более важно — они делают его невидимым для радаров благодаря тому, что способны поглощать все шумы и вибрации.
По словам конструкторов, потенциальная сфера применения новой разработки не ограничивается использованием только в военных целях. К примеру, в случае цунами такой дрон можно задействовать для обнаружения подводных преград, чтобы обеспечить безопасный подход спасательных кораблей.
Стоит упомянуть о том, что в течение последнего десятилетия многие научные институты активно пытались найти способ сделать какой-либо объект по-настоящему невидимым. Большинство исследований было так или иначе связано с разработкой метаматериалов — композитов с принципиально новыми электромагнитными свойствами, которые в природе вообще не встречаются. Они способны преодолеть дифракционный предел света, что позволяет сделать изготовленный из них предмет невидимым. Физики, работающие в данном направлении, уверены в том, что уже через несколько лет они смогут создать настоящий «плащ-невидимку», который заставит лучи света огибать укрываемый объект, а потом возвращаться на свой обычный курс. Таким образом, его можно будет полностью спрятать от наблюдателя. Дело осталось за малым: нужно всего лишь перейти от теории к практике и получить подобный материал — задача не из легких, поскольку все работы приходится вести на наноразмерном уровне. Метаматериалы изготавливаются из чистых образцов металла (их толщина приближается к десяткам нанометров или десяткам миллиардных метра), размещаемых на поверхности подложки, прозрачной для электромагнитных волн. Ее изготавливают из специального стекла в том случае, если нужна жесткость, или из полимерных листов, когда конструкторам, наоборот, требуется гибкость. Энтузиастов невидимости интересует как раз последний вариант, поскольку в отдаленной перспективе появится возможность изготавливать листы длиной несколько метров, которые затем можно будет использовать в качестве своеобразных обоев, закрепляя их на объекте, который необходимо спрятать. Пользу от освоения данной технологии могут в первую очередь получить именно дроны.
«Гибкие скелеты»
Новость о том, что команде исследователей из Университета Сан Диего (США) не так давно удалось напечатать маленьких роботов, выглядящих как насекомые, совсем не тянет на сенсацию. Хотя именно подобные прорывы способны в конечном итоге кардинальным образом повлиять не только на данное направление, но и на многие другие. Ученым удалось создать техпроцесс трехмерной печати робонасекомых «одним куском», который они назвали flexoskeleton (от flexible exoskeleton — «гибкий скелет»). Роботы изготавливаются из нескольких видов жесткого пластика, такого как поликарбонат, которые при помощи 3D-печати наносятся на очень тонкие и гибкие слои другого полимера. В результате получается материал сразу и жесткий, и гибкий, напоминающий этим панцирь насекомых, который одновременно и защищает их, и не лишает достаточных уровней сочлененности и подвижности. Новые роботы могут быть использованы для шпионажа, в силу того, что уже в ближайшее время появится возможность легко и в первую очередь быстро создавать целые рои таких «насекомых», снабжая их миниатюрными камерами.
Еще одна группа исследователей из Калифорнии также работает над миниатюрными дронами, выбрав тараканов в качестве основного образца для подражания. Созданный ими робот, размером не превышающий данное насекомое, отличается очень высокой прочностью и способен выдерживать нагрузку в 60 кг — то есть в миллион раз превышающую его собственный вес.
Он состоит из плоской детали, изготавливаемой из ПВДФ (поливинилиденфторида), который сжимается или растягивается в зависимости от интенсивности проходящего через него электрического тока. Криволинейная форма робота позволяет ему перемещаться вперед за счет сжатий и растяжений. Благодаря своей подвижности и небольшому размеру, позволяющему передвигаться в очень ограниченном пространстве, это устройство может использоваться для поиска выживших после землетрясения. Разработчики планируют со временем оснастить робота датчиком, способным обнаруживать присутствие CO2, выдыхаемого живыми людьми.
Возрождение Терминатора
Сложно забыть робота из фильма «Терминатор 2», который был способен менять свою форму так, чтобы она отвечала его текущим потребностям. То, что 30 лет назад было продемонстрировано в качестве одного из первых цифровых эффектов в истории кинематографа, уже очень скоро может воплотиться в реальность. За соответствующее открытие следует благодарить группу ученых из Университета Бингемтона (США), получивших сплав на основе висмута, иридия и олова, который имеет обыкновение переходить в жидкое состояние уже при температуре 62°C, после чего металл начинает растекаться в том случае, если его ничего не ограничивает. Команде удалось создать гибкий каркас, способный удерживать новый сплав, выбрав в качестве материала полимер из семейства эластомеров. Затем металл был нанесен непосредственно на этот каркас методом вакуумной отливки. Результат выглядел просто фантастическим — как в фильме из девяностых.
Просто за счет нагрева и последующего охлаждения конструкции, которой в данном случае была придана форма руки, удалось добиться того, что она получила возможность автоматически возвращать себе оригинальный облик, если ее деформировать или даже разбить. Ученые полагают, что уже через несколько лет у них появится возможность использовать свое открытие для создания компонентов космических роботов, к примеру, антенн, которые смогут восстанавливать свою форму, получив повреждения в результате столкновения с метеоритом или другими объектами.
Модные полимеры
Необходимо отметить, что научные исследования, связанные с созданием роботов, привели к любопытным и даже потрясающим нововведениям в самых разных областях. Даже модельеры не удержались от соблазна воспользоваться новыми возможностями. По крайней мере один из них — дизайнер одежды Йин Гао — недавно представил коллекцию «робоодежды». Речь, разумеется, идет не о нарядах для роботов, а наоборот, о создании коллекции более-менее автономной одежды, которая получила название Flowing water, standing time («Текущая вода, застывшая на время»). Она изготавливается из электронных компонентов, а также элементов, выполненных из силикона, стекла и поливинилиденфторида — особо прочного термопластичного фторполимера.
Комбинирование трех указанных материалов позволило создать одеяния, способные реагировать на цвет окружающей среды, подстраиваясь под нее. «Они способны быть одновременно жидкими и хамелеоноподобными, формируя свой внешний облик в соответствии с ритмом изменчивых отражений своего окружения», — объясняет модельер. Здесь нет никакой магии: одежда получила такие свойства благодаря использованию световых датчиков, соединенных с магнитами и крошечными механизмами, внедренными в силиконовые элементы.
Несмотря на то, что данный эффект является пока исключительно визуальным, он открывает перед дизайнерами «робоодежды» новые возможности: красный свет может стать командой развязать шнурки, а зеленый — завязать их.
Продолжение следует.
Посмотреть в журнале
«Стальной союз» роботов и полимеров
Разумные роботы являются частыми героями научно-фантастических фильмов прошлого века, в некоторых из которых действие происходит как бы в наше время. У них (из-за нехватки воображения у создателей кинокартин) обычно есть две руки и голова. Одни из них настроены доброжелательно, другие — не очень. Эти роботы общаются с людьми при помощи синтезированной речи, что на момент зарождения таких фантазий было новомодной концепцией. Она вполне актуальна и сейчас, что подтверждается немеркнущей популярностью у фанатов знаменитого на весь мир C3PO из саги «Звездные войны». Однако как же обстоят дела на данный момент? К немалому сожалению широкой публики, в реальности ситуация выглядит совсем иначе. Как и в случае со смартфонами, появление которых было предсказано лишь считанными единицами, развитие роботов пошло совсем другим путем, не так, как многие ожидали 30 лет назад. Еще в конце двадцатого века ученые отказались от мысли полностью копировать анатомию человеческого тела, а вместо этого сосредоточились на создании роботов, предназначенных для выполнения таких заданий, с которыми людям справиться не под силу. Самым известным примером реализации подобного подхода стала роботизированная рука, которая уже много лет используется с большим успехом, особенно в промышленности. Она способна выполнять прецизионные сварочные работы, переносить и укладывать с большой осторожностью хрупкие изделия, собирать самые разные узлы и даже проводить хирургические операции. Кроме того, роботы пришли в домашнее хозяйство и теперь убирают пыль, подстригают лужайки, чистят плавательные бассейны и делают многое другое.
Роботы приходят на помощь
Нельзя не упомянуть эпидемию COVID-19 и связанный с ним карантин, объявлявшийся во многих странах. Роботы, оборудованные подключенными к сети цифровыми планшетами, дали возможность пожилым людям, запертым в домах престарелых, поддерживать отношения со своими родственниками. В это самое время другие роботы занимались дезинфекцией полок в супермаркетах.
Некоторые службы доставки смогли продолжить свою работу в значительной степени благодаря тому, что у них были роботы, способные снимать товары со стеллажей, оберегая работников складов от потенциальных контактов с вредоносными вирусами. Такие системы оказались весьма эффективными не только потому, что были «умными», но также за счет того, что создавались с использованием полимерных материалов, совмещающих прочность и главное легкость, без чего невозможно повысить автономность подобных устройств.
Есть одна особенность, присущая практически всем выпускаемым роботам. В процессе их разработки производители опираются на широкую номенклатуру пластмасс: от особо прочных поликарбонатов и АБС, отлично подходящих для изготовления корпусов, до эластомеров, отличающихся высокой эластичностью и упругостью.
При этом роль полимеров в роботостроении не сводится только лишь к изготовлению конструктивных и защитных элементов. Во многих исследовательских центрах уже давно пришли к пониманию того, что разработка новых видов пластика поможет создать роботов с принципиально новым функционалом. Некоторые подобные проекты пока еще находятся на стадии экспериментов, в то время как другие уже выведены на рынок, при этом были получены результаты, достойные лучших произведений жанра научной фантастики.
Невидимые пластики
Огромное количество исследований в области робототехники посвящено разработке дронов. На эти цели сейчас выделяются огромные средства — настолько выросло значение подобных устройств для армий разных стран и разведслужб. При проектировании новых конструкций большую роль, как и в случае с пилотируемой авиацией, играет использование композиций на основе углерода или эпоксидных смол. Выбор в пользу этих легких материалов позволяет снизить энергопотребление дрона, одновременно повысив его автономность. Тем не менее такой подход сложно назвать революционным. Он уже отлично освоен и находит все более широкое применение не только в авиастроении, но и при создании любых современных транспортных средств.
Одной из сложнейших задач, поставленных сейчас перед конструкторами, является изготовление таких дронов, которых нельзя было бы увидеть или как минимум засечь с помощью радара. Несмотря на то, что разработка таких самолетов началась еще в 1970-х годах, их «невидимость» до сих пор остается довольно относительной. Она основывается исключительно на придании устройству специфической формы, которая позволяет отражать посылаемые радаром импульсы во всех направлениях. Такой подход работает, но только до определенной степени, поскольку часть сигнала неизбежно будет отправлена в сторону радара. Гибкие материалы, способные поглощать волны, уже существуют, но они не обладают уровнем жесткости, достаточным для того, чтобы из них можно было бы изготавливать самолеты или дроны.
Сообщается, что некой российской авиастроительной фирме недавно удалось справиться с данной проблемой за счет разработки нового материала из нескольких видов волокон и полимеров, но его состав засекречен. Достоверно известно только то, что жесткость этого композита, поглощающего практически все волны, позволяет использовать его для строительства дронов. Для того чтобы сделать обнаружение беспилотника еще более трудным, конструкторы придали ему форму и размеры совы. Во время полета его без использования бинокля практически невозможно отличить от настоящей птицы. Этот летающий шпион оснащается различными камерами. Производитель заявляет о том, что невозможность засечь машину при помощи радаров, а также ее сходство с обычной совой позволяют ей летать на очень низкой высоте, не опасаясь обнаружения и делая при этом очень качественные снимки.
Таким же путем пошел и франко-британский консорциум, специализирующийся на проектировании подводных дронов. И вновь создатели не раскрывают практически никакой информации о видах используемых волокон и полимеров. Задача их нового робота заключается в том, чтобы обнаруживать подводные лодки, оставаясь в свою очередь незамеченным. Композиционные материалы, разработанные в рамках данного проекта, с одной стороны снижают вес дрона, увеличивая тем самым его автономность, но что более важно — они делают его невидимым для радаров благодаря тому, что способны поглощать все шумы и вибрации.
По словам конструкторов, потенциальная сфера применения новой разработки не ограничивается использованием только в военных целях. К примеру, в случае цунами такой дрон можно задействовать для обнаружения подводных преград, чтобы обеспечить безопасный подход спасательных кораблей.
Стоит упомянуть о том, что в течение последнего десятилетия многие научные институты активно пытались найти способ сделать какой-либо объект по-настоящему невидимым. Большинство исследований было так или иначе связано с разработкой метаматериалов — композитов с принципиально новыми электромагнитными свойствами, которые в природе вообще не встречаются. Они способны преодолеть дифракционный предел света, что позволяет сделать изготовленный из них предмет невидимым. Физики, работающие в данном направлении, уверены в том, что уже через несколько лет они смогут создать настоящий «плащ-невидимку», который заставит лучи света огибать укрываемый объект, а потом возвращаться на свой обычный курс. Таким образом, его можно будет полностью спрятать от наблюдателя. Дело осталось за малым: нужно всего лишь перейти от теории к практике и получить подобный материал — задача не из легких, поскольку все работы приходится вести на наноразмерном уровне. Метаматериалы изготавливаются из чистых образцов металла (их толщина приближается к десяткам нанометров или десяткам миллиардных метра), размещаемых на поверхности подложки, прозрачной для электромагнитных волн. Ее изготавливают из специального стекла в том случае, если нужна жесткость, или из полимерных листов, когда конструкторам, наоборот, требуется гибкость. Энтузиастов невидимости интересует как раз последний вариант, поскольку в отдаленной перспективе появится возможность изготавливать листы длиной несколько метров, которые затем можно будет использовать в качестве своеобразных обоев, закрепляя их на объекте, который необходимо спрятать. Пользу от освоения данной технологии могут в первую очередь получить именно дроны.
«Гибкие скелеты»
Новость о том, что команде исследователей из Университета Сан Диего (США) не так давно удалось напечатать маленьких роботов, выглядящих как насекомые, совсем не тянет на сенсацию. Хотя именно подобные прорывы способны в конечном итоге кардинальным образом повлиять не только на данное направление, но и на многие другие. Ученым удалось создать техпроцесс трехмерной печати робонасекомых «одним куском», который они назвали flexoskeleton (от flexible exoskeleton — «гибкий скелет»). Роботы изготавливаются из нескольких видов жесткого пластика, такого как поликарбонат, которые при помощи 3D-печати наносятся на очень тонкие и гибкие слои другого полимера. В результате получается материал сразу и жесткий, и гибкий, напоминающий этим панцирь насекомых, который одновременно и защищает их, и не лишает достаточных уровней сочлененности и подвижности. Новые роботы могут быть использованы для шпионажа, в силу того, что уже в ближайшее время появится возможность легко и в первую очередь быстро создавать целые рои таких «насекомых», снабжая их миниатюрными камерами.
Еще одна группа исследователей из Калифорнии также работает над миниатюрными дронами, выбрав тараканов в качестве основного образца для подражания. Созданный ими робот, размером не превышающий данное насекомое, отличается очень высокой прочностью и способен выдерживать нагрузку в 60 кг — то есть в миллион раз превышающую его собственный вес.
Он состоит из плоской детали, изготавливаемой из ПВДФ (поливинилиденфторида), который сжимается или растягивается в зависимости от интенсивности проходящего через него электрического тока. Криволинейная форма робота позволяет ему перемещаться вперед за счет сжатий и растяжений. Благодаря своей подвижности и небольшому размеру, позволяющему передвигаться в очень ограниченном пространстве, это устройство может использоваться для поиска выживших после землетрясения. Разработчики планируют со временем оснастить робота датчиком, способным обнаруживать присутствие CO2, выдыхаемого живыми людьми.
Возрождение Терминатора
Сложно забыть робота из фильма «Терминатор 2», который был способен менять свою форму так, чтобы она отвечала его текущим потребностям. То, что 30 лет назад было продемонстрировано в качестве одного из первых цифровых эффектов в истории кинематографа, уже очень скоро может воплотиться в реальность. За соответствующее открытие следует благодарить группу ученых из Университета Бингемтона (США), получивших сплав на основе висмута, иридия и олова, который имеет обыкновение переходить в жидкое состояние уже при температуре 62°C, после чего металл начинает растекаться в том случае, если его ничего не ограничивает. Команде удалось создать гибкий каркас, способный удерживать новый сплав, выбрав в качестве материала полимер из семейства эластомеров. Затем металл был нанесен непосредственно на этот каркас методом вакуумной отливки. Результат выглядел просто фантастическим — как в фильме из девяностых.
Просто за счет нагрева и последующего охлаждения конструкции, которой в данном случае была придана форма руки, удалось добиться того, что она получила возможность автоматически возвращать себе оригинальный облик, если ее деформировать или даже разбить. Ученые полагают, что уже через несколько лет у них появится возможность использовать свое открытие для создания компонентов космических роботов, к примеру, антенн, которые смогут восстанавливать свою форму, получив повреждения в результате столкновения с метеоритом или другими объектами.
Модные полимеры
Необходимо отметить, что научные исследования, связанные с созданием роботов, привели к любопытным и даже потрясающим нововведениям в самых разных областях. Даже модельеры не удержались от соблазна воспользоваться новыми возможностями. По крайней мере один из них — дизайнер одежды Йин Гао — недавно представил коллекцию «робоодежды». Речь, разумеется, идет не о нарядах для роботов, а наоборот, о создании коллекции более-менее автономной одежды, которая получила название Flowing water, standing time («Текущая вода, застывшая на время»). Она изготавливается из электронных компонентов, а также элементов, выполненных из силикона, стекла и поливинилиденфторида — особо прочного термопластичного фторполимера.
Комбинирование трех указанных материалов позволило создать одеяния, способные реагировать на цвет окружающей среды, подстраиваясь под нее. «Они способны быть одновременно жидкими и хамелеоноподобными, формируя свой внешний облик в соответствии с ритмом изменчивых отражений своего окружения», — объясняет модельер. Здесь нет никакой магии: одежда получила такие свойства благодаря использованию световых датчиков, соединенных с магнитами и крошечными механизмами, внедренными в силиконовые элементы.
Несмотря на то, что данный эффект является пока исключительно визуальным, он открывает перед дизайнерами «робоодежды» новые возможности: красный свет может стать командой развязать шнурки, а зеленый — завязать их.
Продолжение следует.
Посмотреть в журнале